阶梯型流道对质子交换膜燃料电池性能的影响

2023-01-18安治国张东阳严芝锐

重庆交通大学学报(自然科学版) 2022年12期

安治国，张东阳，张振，严芝锐

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 400074)

0 引言

当前,化石燃料占全球能源消耗的82%,使用化石燃料造成的环境污染问题越来越突出,寻找清洁可替代能源成为急需解决的问题[1]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有能源效率高、无污染、启动快、运行温度低等优点,引起了学术界和工业界的广泛关注[2-5]。在燃料电池中,双极板(BP)是燃料电池的核心部件,包括阳极集流板和阴极集流板,分布于PEMFC两侧。双极板不但起着为电池堆栈提供机械支持的作用,而且可以将反应气体向气体扩散层扩散并去除未反应气体和副产物水。其流道设计优劣对于PEMFC的性能有着重要影响[6-7]。

目前,一些学者对双极板的结构进行了研究[8-9]。MIN Chunhua等[10]通过对串联型蛇形流道的研究发现,与平行流道相比,蛇形流道的平均氧浓度更高,能明显改善PEMFC的性能；Y. VAZIFESHENAS等[11]将蛇形流道与平行流道相结合设计出复合流道,改善了PEMFC的排水性能；S. A. ATYABI等[12]通过数值模拟研究了一种新型的蜂窝型流道结构对PEMFC的性能的影响,结果表明,蜂窝型流道具有类似平行流道低压降的优点,同时,PEMFC的温度、水、氧质量分数以及电流密度分布的均匀性均得到提高；YANG Chen等[13]通过数值模拟分析了M型流道的PEMFC,获得了最佳的椭圆堵块高度和宽度,电池性能比平行流道提高了16%；H. HEIDARY等[14]评估了流道中添加堵块对于PEMFC性能的影响,发现完全堵塞阴极侧流道可以提高燃料电池30%的净功率；螺旋形流道由T. MONSAF等[15]提出,通过对螺旋通道的肋宽度和匝数进行研究,发现肋宽和匝数的增加可以提高反应物分布的均匀性,螺旋形状产生的离心力提高了燃料电池的性能；CHEN Xi等[16]通过CFD程序模拟了三维波形流道,得出波形流道通过引入了对流传质,促进了气体的运输以及液态水的去除。与传统通道相比,波形流道的电流密度最高可以提升23.8%；WANG Chao等[17]对不同高度或宽度的锥形流道进行数值模拟,结果表明,高流速的锥形流道可以显著提高流道的除水能力,在大电流密度下,提高了电池的性能。

综上所述,合理的流道结构可以使PEMFC的性能得以提升。然而,目前提出的流道结构较为复杂,加大了燃料电池的制造难度,提高了生产成本。针对此问题,笔者提出一种阶梯型流道结构,并对其结构参数对电池性能的影响进行研究。

1 模型与方法

1.1 模型与操作参数

PEMFC几何模型如图1,包括双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜。模型的几何尺寸如表1；物理和电化学参数如表2。

图1 燃料电池几何模型Fig. 1 Geometric model of fuel cell

表1 模型几何参数Table 1 Geometric parameters of model

表2 模型的物理和电化学参数Table 2 Physical and electrochemical parameters of the model

图2为阶梯型PEMFC阴极流道的示意,主要的结构参数有进口高度H1、出口高度H2、阶梯数量n、阶梯高度h、点到流道进口的距离L。

图2 PEMFC阴极流道Fig. 2 Cathode channel of PEMFC

表3为数值仿真实验设计。模型通过两种方案来对阶梯高度进行调节,以此来研究阶梯高度对PEMFC性能的影响。A为常规型(无阶梯)流道,作为参考对照样本。方案1将实验B-F的流道阶梯数量设定为5,调节流道进出口高度来改变阶梯的高度；方案2将实验G-J流道进出口高度设为定值,通过调节流道阶梯的数量来改变阶梯高度。流道的结构参数进口高度H1、出口高度H2、阶梯数量n、阶梯高度h具体设定数值如表3。

表3 流道几何参数Table 3 Channel geometry parameters

1.2 模型假设

为简化数值模型,考虑以下假设：

1)燃料电池在稳态和等温的条件下工作。

2)不考虑重力的影响。

3) 反应气体是理想的、不可压缩的。

4)流道中的气体流动为层流。

5)多孔介质都为均质且各向同性。

6)电化学反应只发生在催化层。

1.3 数学模型

模型所用方程有控制方程、电化学方程和水传输方程。控制方程包括质量、动量、能量和组分守恒方程，对应的方程如式(1)～式(9):

1)质量守恒方程

(1)

2)动量守恒方程

(2)

式中：p为压力;μ为动力黏度;Su为动量源项。

3)能量守恒方程

(3)

式中：cp为定压比热容;keff表示有效导热率;T为温度;SQ为能量源项。

4)组分守恒方程

(4)

式中：k为组分代码；ck为组分浓度；Dkeff为组分有效扩散系数；Sk为组分源项。

5)电化学方程包括电流守恒方程和Bulter-Volmer方程

电流守恒方程：

∇·(σe∇Φe)+Se=0

(5)

∇·(σm∇Φm)+Sm=0

(6)

式中：e和m分别表示为固相和膜相；σ为电导率;Ф为电势;Se、Sm为电流源项。

Bulter-Volmer方程：

(7)

(8)

式中：a和c分别代表阳极和阴极;η为过电位;ja,reff和jc,reff分别为阳、阴极参考电流密度；Ci为i组分的浓度;Ci,ref为i组分的参考浓度;α为传递系数；γ为浓度指数。

6)水传输方程

在考虑了水相变时,水传递的控制方程形式如式(9)：

(9)

式中：s为水的传输速度;K为绝对渗透率;pcap为毛细压力；rw为水的冷凝率。

1.4 网格独立性验证

为了确保计算结果的准确性,采用3种不同数量的六面体结构网格对模型进行网格划分,其数量分别为140 400、315 360、565 920。表4为在电压为0.7 V条件下的3种不同网格数量PEMFC的电流密度。

表4 不同网格数量时PEMFC的电流密度Table 4 Current density of PEMFC with different number of grids

从表4可以看出,与模型Ⅱ相比,模型Ⅰ和模型Ⅲ的电流密度偏差分别为0.79%和0.15%。可以认为当网格数量大于等于140 400时,计算结果与网格数量无关。为使计算结果更加准确，同时节省计算时间,选模型II作为计算模型。

1.5 模型验证

为了评估文中PEMFC模型的有效性,对传统的直流道进行模拟,将仿真结果与WANG Lin等[19]的实验数据进行对比,如图3。从图3可以看出,在低电流密度条件下,仿真结果与实验数据基本吻合。但在中高电流密度下,数值模拟结果比实验结果略有偏差。产生偏差的主要原因为：数值模拟中忽略了重力的影响；现实实验操作条件(温度、空气中氧气的含量、进气口反应物流量等不能保证精确以及实验装置的密封性等)使得实验结果产生偏差。在中高电流密度的条件下化学反应速率较低电流密度下更为剧烈，产生偏差也就更大。当电压为0.5 V时,电流密度产生0.062 A/cm2的最大偏差,最大误差率为4.3%(小于5%),在合理范围内,因此该模型用于数值模拟是比较可靠的。

图3 仿真数据与实验数据的验证Fig. 3 Validation of simulation data and experimental data

2 结果与讨论

2.1 极化曲线和功率密度曲线

图4显示了方案1中PEMFC的极化曲线和功率密度曲线。从图4可以看出,在低电流密度区域,各个模型的电池性能基本相同。这是由于在此区域电化学反应速度较慢,反应组分消耗量较少,产生的水也较少,反应气体易于将水排出,流道形状对电池的性能几乎无影响。在高电流密度区域,阶梯型PEMFC的电流密度和功率密度均高于常规型PEMFC,并且随着阶梯高度的增加而增加。这是因为阶梯型流道结构和流道出口面积的减小增加了流道内气体的轴向和径向速度,提高了气体的扩散速率。另一方面,和常规流道相比,流道的阶梯型结构使得流道体积从进口到出口依次减小,气体浓度依次增大，电池内部的化学反应速度加快。

图4 方案1的PEMFC极化和功率密度曲线Fig. 4 PEMFC polarization and power density curves of scheme 1

从图4可知,燃料电池的最高功率密度均在电压0.5 V时取得, 实验A、B、C、D、E、F中,燃料电池的最高功率密度分别为0.530、0.562、0.566、0.579、0.589、0.602 W/cm2。由此可以看出,实验F的最高功率密度最高,相比于常规型流道，其最高功率密度提高了13.58%。

图5为方案2的PEMFC极化曲线和功率密度曲线。由图5可知,随着PEMFC阶梯数量的增加,电池的功率密度呈微小的减小趋势。实验G、H、I、J中,燃料电池的最高功率密度分别为 0.590、0.589、0.588、0.588 W/cm2,最大差值为0.34%,可以认为，通过调节阶梯数量来改变阶梯高度的方式对PEMFC最高功率密度基本无影响。产生微小变化的原因是虽然流道进、出口高度相同,但阶梯数量的增加使得流道的总体积有所增加,在同一位置反应物浓度有所减小,进而减小了电池内的化学反应速度。

图5 方案2的PEMFC极化和功率密度曲线Fig. 5 PEMFC polarization and power density curves of scheme 2

2.2 氧气和水质量分数分布

氧气分布的均匀性对电池内的化学反应速率有很大影响。图6(a)和图7(a)分别为方案1中阶梯型流道和常规(无阶梯)流道阴极气体扩散层和催化层交界处的氧气质量分数分布云图和平均质量分数曲线。从图6(a)、图7(a)中可以看出,氧气的浓度在进口处偏高,越接近出口氧气的浓度越小,这是由于电化学反应消耗了氧气的缘故。阶梯型流道PEMFC氧气浓度在流道中后段均高于常规型流道,其中F型的氧气浓度最高,氧气分布的均匀性最好。原因是流道阶梯型的设计增大了气体的扰流作用,使得气体的横向和纵向速度增加,更有利于气体的扩散,气体分布的均匀性增加。

燃料电池内部的水分布同样会影响电池的性能。适当的水含量会加速质子的传导,对电池内的化学反应有着促进作用。水的积聚则会阻碍反应气体的传输,严重时会造成“水淹”现象的产生,浓差极化损失增加,电池的性能减弱。图6(b)和图7(b)分别为方案1中阶梯型流道和常规平行流道阴极气体扩散层和催化层的水质量分数分布云图和平均质量分数曲线。由图6(b)、图7(b)可知,阶梯型流道的水分布更加均匀,出口处水的含量相较于传统流道明显减少,改善了电池的排水性能。这是由于阶梯型流道使得流道内气体流速增加,有利于水的排出。

图6 方案1的PEMFC阴极GDL/CL界面氧气及水的平均质量分数Fig. 6 Mass fraction of oxygen and water at GDL / CL interface of PEMFC cathode of scheme 1

图7 方案1的PEMFC阴极GDL/CL界面的氧气及水的平均质量分数Fig. 7 The average mass fraction of oxygen and water at GDL/CL interface of PEMFC cathode of scheme 1

图8(a)、图9(a)为方案2中PEMFC阴极气体扩散层和催化层交界处的氧气浓度分布云图和平均质量分数曲线。图8(b)、图9(b)为水浓度分布云图和平均质量分数曲线。从图8、图9可以看出,G型PEMFC氧气和水进出口平均质量分数相同,在阶梯交界处会出现线性波动。产生这种现象的原因是在阶梯处流道体积突然变小,单位体积内的氧气和水含量增大。H、I、J型PEMFC氧气浓度分布和水分布状况基本相同,此时阶梯高度对电池内氧气和水浓度分布影响很小。因此,可以认为当阶梯数量大于等于5时,通过调节阶梯数量来改变阶梯高度的方式对燃料电池中氧气和水分布的影响可以忽略不计。

图8 方案2的PEMFC阴极GDL/CL界面氧气及水的平均质量分数Fig. 8 Mass fraction of oxygen and water at GDL / CL interface of PEMFC cathode of scheme 2

图9 方案2的PEMFC阴极GDL/CL界面氧气及水的平均质量分数Fig. 9 The average mass fraction of oxygen and water at GDL/CL interface of PEMFC cathode of scheme 2

2.3 压降分布

图10、图11分别为PEMFC电压为0.5 V时,方案1和方案2中PEMFC阴极流道内的压降情况。

图10 方案1阴极流道内压降Fig. 10 Pressure drop in cathode channel of scheme 1

从图10可以看出,方案1中,随着阶梯高度的增加,流道内气体的压降从最初的426 Pa增大到6 540 Pa,差异十分显著。其中,B、C型燃料电池压降差异较小,D、E型燃料电池压降增大明显，F型燃料电池的压降急剧增加。这是因为出口高度太小使得流道内的水难以有效排出,从而阻碍了气体的流出。

从图11可以看出,G、H、I、J型PEMFC的阴极流道压降分别为2 262、1 928、1 776、1 698 Pa。方案2中,随着流道阶梯数量的增加,电池内的压降依次减小。与G型PEMFC相比,J型PEMFC的压降下降了24.9%,这说明通过增加阶梯数量的方式来减小阶梯高度对于电池的压降具有明显的改善作用。