大面积双极板质子交换膜燃料电池仿真与实验

王国庆，何振峰，王 超，王学科

(1.中北大学 化学工程与技术学院，山西太原 030051；2.中北大学 材料科学与工程学院，山西太原 030051；3.北京航天发射技术研究所，北京 100076)

随着环境污染、温室效应与能源短缺的加剧，开发新型能源来替代传统化石燃料已经迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其低排放、高功率密度和快速响应等优点，被认为是未来最有前途的电源。但是，燃料电池的水和热管理这些棘手的问题制约了PEMFC 商业化。Fluent 能够模拟仿真PEMFC 中多维、多相、多尺度的动态复杂的传输现象及电化学反应过程。通过仿真可以得到在不同条件下的大面积PEMFC 内部的流体流动状态、热传递、不同物质传输情况、电化学反应过程以及电流密度分布情况。当仿真出现故障时，可以找出模型的不合理性进而优化结构，从而降低研发成本[1-8]。

由于计算效率和稳定性的限制，传统的PEMFC 的三维模拟往往停留在单通道尺度上，忽略了商业PEMFC 的真实流场结构。市场上实用意义的燃料电池，活性面积一般在300 cm2左右。现阶段对于这种大面积的燃料电池仿真相关报道并不多见。Zhang 等[9]进行了一个大面积PEMFC(109.93 cm2)的仿真，对燃料电池在不同压力以及不同气体流向的工况下进行仿真，分析各通道内的气体浓度和液态水含量，发现增大操作压力可以显著提高反应气体浓度和膜含水量，从而提高PEMFC 的性能。此外，氢气和空气的逆流布置有利于膜结构和电化学反应的均匀分布。Wang 等[10]建立了一个活性面积200 cm2的多蛇形流道质子交换膜燃料电池模型，通过模拟计算，展示了对电池中反应物传输、电化学反应以及冷却剂通道中传热多种过程同时进行模拟的能力。随着燃料电池的迅猛发展，需要研发一些能够提供更大功率的燃料电池去提高其性能。大面积PEMFC 涉及到的零部件众多，通过仿真可以对其进行前期的设计计算和后期的校核计算，缩短PEMFC 的研发周期，进而节约研发成本。

本文对具有实际流场结构的全尺寸大面积(509 cm2)直流道PEMFC 进行模拟，几何模型网格数超过60 000 000，这么巨大的网格数量的仿真所需要的时间周期极长，到目前为止极其罕见。通过ICEM 对9 个不同组件进行单独的网格划分，最后合并成一个整体，将其导入Fluent 中进行长期的仿真。研究了大面积直流道双极板在不同操作压力下的反应气体、水浓度、电流密度等的分布情况，并且结合实际测试，将研究结果应用于5 kW 电堆的制作及运行管理，效果良好。

1 模型描述

1.1 模型假设

燃料电池在实际工作过程中受到多重因素的影响，为了便于模拟计算，对燃料电池工作条件进行简化处理，并做出以下假设：(1)反应气体为理想气体，并且不可以压缩；(2)电池所用材料的热导率是常数；(3)电池结构中只考虑扩散层和集流板的接触电阻；(4)不考虑阳极过电势；(5)反应气不能渗透质子交换膜。

本文中数学模型涉及质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程、电荷守恒方程[11-15]。

质量守恒定律：

式中：ρ、ε、分别为密度、孔隙率、速度矢量。

动量守恒方程：

式中：p、μ、Su分别为压力、粘度、动量源项。

组分守恒方程：

电荷守恒方程：

式中：σeff、Φ、Sφ分别为电导率、电势和电流源项。

1.2 几何模型

本文建立的几何模型基于实际的全电池结构，如图1 所示。单电池外形尺寸为295 mm×172 mm×1.50 mm，其中：活性面积509 cm2、流道深度0.45 mm、宽度0.1 mm、岸宽1 mm、集流板板板厚0.2 mm、扩散层0.2 mm、催化层0.01 mm、膜厚0.02 mm。

图1 全电池几何模型结构示意图

2 结果与讨论

2.1 极化曲线对比

实验基准工况边界条件为：阴阳极气体过量系数2.0/1.2；相对湿度RHa=80%，RHc=40%；电池温度K；阴阳极出口工作压力pa=pc=200 kPa。在以上边界条件下进行了电堆测试，得到了电堆的V-I 曲线。

在101 和200 kPa 两种不同操作条件下，电池模拟V-I 曲线与实验V-I 曲线进行对比，可见吻合良好，验证了模型的可靠性，如图2 所示。并且在200 kPa 这一较高的操作压力下，相同电压下的电流密度会更高。

图2 不同操作压力下电池模拟的性能曲线

2.2 流场分析

在不同的操作压力下，沿着流道方向，氢气和氧气的摩尔浓度总体趋势从进口处向出口处有所减少。本文中涉及的模型计算密度采用的是理想气体定律，并且随着操作压力的增加，阳极流道的氢气的均匀性会逐渐提高；而阴极流道中氧气分布较为均匀。

在阴阳极催化层厚度1/2 处截取平面进行分析(图3 和图4)。在101 kPa 下，阳极催化层表面氢气浓度从进口到出口有一个较明显的下降，从0.094 kmol/m3下降到0.004 kmol/m3；在200 kPa 下，阳极催化层表面氢气浓度从0.107 kmol/m3下降到0.043 kmol/m3。并且在不同工作压力下，出口处都出现一个明显的变化，这是由于随着催化层反应的进行，生成的水量增加，在出口处淤积。

图3 不同操作条件下阴阳极催化层的气体浓度

图4 不同压力下阴阳极催化层的水含量

而阴极催化层氧气分布的均匀性决定电池整体的均匀性。随着操作压力从101 kPa 增加到200 kPa，电化学反应增大，需要消耗的氧气量成正比增加(从0.007 45 kmol/m3增加到0.013 3 kmol/m3)，阴极催化层的液态水含量也从3.85 增加到5.83，从入口到出口，液态水逐渐淤积，氧气浓度逐渐减小。操作压力越大，液态水含量越多，氧气浓度变化梯度越大。并且随着操作压力的增加，电堆的气体分布均匀性更佳，膜的液态水含量增加，并且分布更均匀，这会使得质子交换膜的电导率更高，膜的电流密度也更均匀，从而减小了欧姆损失。

燃料电池的水含量是影响其性能的关键性因素。图5 中显示了在不同操作压力下的燃料电池水含量和电流密度。随着操作压力从101 kPa增加200 kPa，会降低参加化学反应所需的自由能，从而提高阴极氧气的活性，加快化学反应速率。最终导致膜的水含量增加(从3.06 增加到4.67)，使膜进一步润湿，从而达到更好的导电效果，电流密度也从0.453 A/cm2提高到0.706 A/cm2。因此在实际应用中，可以适当增加操作压力，电池性能更好。但是操作压力不应超过所选取膜的最大承受应力，因为操作压力越大，气体的流量就会随之增加，流量过高，则会导致反应气体将膜冲破，最终导致电堆漏气以及堆温过高等问题。

图5 燃料电池长度1/2处的水含量和电流密度

3 模拟结果的工程应用

用509 cm2大面积双极板组装电堆，如图6(a)所示。阴极湿度敏感度实验边界条件为：阴阳极气体过量系数2.0/1.2；相对湿度RHa=80%，RHc=20%/40%/80%；电池温度=353.15 K；阴阳极出口工作压力pa=pc=200 kPa。压力敏感度实验边界条件为：阴阳极气体过量系数2.0/1.2；相对湿度RHa=80%，RHc=40%；电池温度=353.15 K；阴阳极出口工作压力pa=pc=135 kPa/145 kPa/155 kPa。在上述边界条件下进行了电堆的阴极湿度敏感度实验和压力敏感度实验。

在电堆的阴极湿度敏感度实验中，调节阴极的进气湿度(20%、40%、80%)，随着氧气湿度的增加，燃料电池的电流密度先升高后降低[图6(b)]。这是由于在较低的加湿度时，加湿度是影响电池性能的主要因素，随着阴极加湿度的逐渐增加，膜逐渐由干变湿，膜的电导率逐渐增加，电池性能越来越好。当阴极加湿度为40%，此时膜已经完全润湿，电池性能最好。继续加湿到80%，氧气浓度成为影响电池性能的主要因素，增大加湿度会逐渐减少氧气浓度，同时造成水淹电极，导致电池性能逐渐下降。

在电堆的压力敏感度实验中，从图6(c)中的V-I 曲线可以看出，改变操作压力的大小(135、145、155 MPa)，随着操作压力的增加，电堆的性能逐渐增加，这就与我们的仿真结果相符合(从101 kPa 增加200 kPa，燃料电池的电流密度从0.453 A/cm2提高到0.706 A/cm2)。这是因为随着操作压力的增加，电堆的气体分布均匀性更佳，膜的液态水含量增加，并且分布更均匀，这会使得质子交换膜的电导率更高，膜的电流密度也更均匀，从而减小了欧姆损失。

图6 5 kW 电堆在不同工况下的V-I曲线

4 结论

本文通过对具有实际流场结构的全尺寸509 cm2大面积单电池进行不同操作压力以及不同阴极湿度的仿真得出，增加操作压力可以显著提高电池性能，随着操作压力从101 kPa 增加到200 kPa，燃料电池的电流密度进一步提高，从0.453 A/cm2提高到0.706 A/cm2。并将模拟结果应用于5 kW 电堆的制作及运行管理，效果良好。本文的电池仿真模拟方法及数据对大面积双极板的质子交换膜燃料电池结构设计及其实际工程化应用方面，具有一定的参考价值。