船舶振动对质子交换膜燃料电池性能的影响分析

温小飞，王曼丽，贾英杰，詹志刚

(1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022；2.武汉理工大学，材料复合新技术国家重点实验室，湖北武汉 430070)

质子交换膜燃料电池因其低噪音、无污染、能量转化率高等优点已逐渐成为21 世纪应用前景最广泛的绿色能源发电装置之一[1]，如今已在燃料电池汽车、客车、有轨电车等陆上交通工具开展试运行及示范[2]。同时，其也为了船舶行业存在一直未能有效解决的环境污染问题例如有害气体排放、振动、噪声[3-4]等提供了可期的系统性技术解决方案，从而引起了越来越多的国内外研究人员关注并开展质子交换膜燃料电池在船舶领域的应用关键技术问题研究，而船用环境适应性问题又成为其首要问题，其中包含了船舶振动、噪声、六自由度运动、空气盐碱度等影响因素。针对该问题，国内外专家学者已开展了一系列研究工作：2009 年BREZINER，et al[5]建立了振动对气体扩散层水运输影响的数学模型并进行了单电池振动试验，结果表明：振动会造成电池性能下降；2011 年HOU Yongping，et al[6]等通过强化振动试验发现：燃料电池堆的安全性能随着振动的进行出现明显衰减现象，电池堆的气密性、绝缘阻值、开路电压均下降；2016 年WANG Xueke，et al[7]通过观察不同振动频率下PEMFC 电压曲线以及水输运过程，得出：当振动频率较低时电池性能略有改善，随着振动时间增加，流道里水蒸气凝聚形成液态水从而干扰传质并导致电压波动。

目前针对船舶振动对质子交换膜燃料电池性能影响方面的研究成果为数不多，且以试验研究为主。本文应用传统的质子交换膜燃料电池数学模型，考虑了船舶振动载荷影响，进行了单流道质子交换膜燃料电池性能的数值仿真，比较分析了有、无振动载荷情况下质子交换膜燃料电池性能参数变化规律。

1 PEMFC 的工作原理

质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)、气体催化层(catalyst layer，CL)、气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)、双极板(bipolar plate，BP)等部件组成如图1 所示。其中，质子交换膜隔离电池的阴、阳两极并为形成质子(氢离子)传输路径；催化层是进行电化学反应的场所；气体扩散层主要为反应气体扩散、液态水去除提供通道。通常情况下，PEM、CL 以及GDL 结合组成膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)；双极板又称集流板，其两面都有流道，主要起到均匀分布气体、串联单个电池、收集传导电流、支撑膜电极以及带出电化学反应生成水的作用。

图1 PEMFC 结构与工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of structure and working principle of PEMFC

PEMFC 工作原理是电解水的逆过程，氢气和氧气分别由阳极和阴极的双极板流道进入扩散层，经气体扩散层到达催化层，在催化层发生电化学反应，其中阳极的H2在阳极催化层中被分解为质子(H+)和带负电的电子。阳极的H+经质子交换膜到达阴极，电子不能穿过膜材料则通过外电路到达阴极催化层，电子在这个运动过程产生了电流。同时，在阴极催化层与H+以及通过阴极流道、扩散层到达阴极催化层的O2发生化学反应生成水。因此，质子交换膜燃料电池总反应可表示为式(1)。

单个PEMFC 的实际工作电压一般为0.7 V，功率为0.6 W·cm-2，实际使用时通常根据所需功率、电压将多个单电池以串、并联方式进行组合，即为质子交换膜燃料电池电池堆(组) 如图2 所示。在图2中，双极板与膜电极组件以及相应的密封单元交替重复，一端为电池组阳极流氢气，另一端为电池组阴极流空气。

图2 PEMFC 电池堆示意图Fig.2 Schematic diagram of PEMFC battery stack

2 船舶振动

船舶航行过程中船舶结构振动较为复杂，主要由随机振动、正弦振动及其混合振动信号组成[8]，并以累积、周期性振动形式作用于船体与设备；其振动类型主要包括：船体振动、上层建筑振动、轴系振动、机械设备振动和流体系统振动[9]，如表1 所示。

对于船用设备而言，其振动频率范围一般低于100 Hz[10]，同时根据《机械振动 船舶设备和机械部件的振动试验要求》规定了的船用电气设备振动试验参数范围，其振动位移即振幅限值不超过1.6 mm，振动频率适用范围0～100 Hz，具体如表2 所示。因此，本文质子交换膜燃料电池性能仿真计算仅选取具有代表性的船舶振动载荷即振动频率为5 Hz、振幅为1.6 mm。

表1 船舶振动类型及振动形式统计表Tab.1 Statistical table of ship vibration type and vibration form

表2 船舶设备振动试验标准列表Tab.2 Test standards of marine equipment vibration

3 数值仿真

3.1 几何模型

质子交换膜燃料电池性能仿真采用了单流道模型如图3 所示，仿真模型基本参数：外围尺寸为50 mm×1.1 mm×1.435 mm，其中流道长50 mm，流道的宽度和深度为0.5 mm×0.4 mm，集流板厚度为0.5 mm，气体扩散层厚度为0.2 mm，催化层厚度为0.01 mm，质子交换膜厚度为0.015 mm。由于质子交换膜燃料电池各层在3 个方向的尺度存在着一定数量级的差异性，且电化学反应主要在催化层发生，因此需要对催化层网格质量和数量进行控制，以保证计算结果精度。在网格精细化处理后，进行了网格灵敏性验证，最终计算模型的网格数为128 000 如图4 所示。

图3 几何模型Fig.3 Geometric model

图4 模型网格Fig.4 Model grid

3.2 边界条件与参数设置

质子交换膜燃料电池模拟的工作环境为343 K，阳极气体加湿度100%，阴极无加湿；流道进口采用质量流量进口边界条件，阳极的进口流量3.383253e-08 kg·s-1，其中氢气的质量分数为0.38，其余为水蒸气；阴极气体的进口流量为7.339254e-07 kg·s-1，其中氧气的质量分数为0.233，其余为氮气；出口均采用压力出口边界条件，出口背压为100 kPa；阴阳极过量系数分别为2.5 和1.5。壁面采用无滑移固定壁面，计算电流密度为1.5 A·cm-2的电池电压输出值。主要电化学反应气体物性参数及主要部件材料物性参数详见表3。

表3 主要物性参数Tab.3 Main parameters of PEMFC

3.3 船舶振动加载方法

考虑船舶振动影响的质子交换膜燃料电池性能仿真属于瞬态问题，根据船舶振动特征，采用了滑移网格技术来实现对振动载荷的加载，选取了船舶垂向振动作为振动载荷，且假设其为简谐振动。通过编写用户自定义函数(UDF)宏DEFINE_ZONE_MOTION 定义振动频率、幅度，且为保证有振动、无振动两种工况分析对比的科学性，在数值模拟过程中，各项边界条件设置两种工况均相同。

3.4 求解

为了分析船舶振动环境对质子交换膜燃料电池性能的影响，选取8 组不同电流密度计算电池输出电压值，分别为0.1 A·cm-2、0.3 A·cm-2、0.5 A·cm-2、0.7 A·cm-2、0.9 A·cm-2、1.1 A·cm-2、1.3 A·cm-2、1.5 A·cm-2，利用计算流体力学软件Fluent PEMFC 模块进行数值模拟，压力速度耦合方式选用SIMPLE 算法，首先进行无振动工况仿真求解，得到定常流场，用于无振动工况后处理；之后，以定常流场作为瞬态计算的初始值，打开滑移网格设置并载入船舶振动载荷UDF，根据正弦振动信号的频率设置相应的时间步长和迭代步数，改变求解设置即稳态改为瞬态，进行非定常流场仿真求解。

4 比较与分析

根据质子交换膜燃料电池性能影响因素及其评价特征参数，对其流场、气体分布、电池性能曲线进行了比较分析，从而讨论了船舶振动载荷对质子交换膜燃料性能的影响情况。

4.1 流场分布

在进行数值模拟的过程中，其他各项边界条件均与不振动的工况下的边界条件是相同的，图5(a)、(b)分别为无振动工况下、有振动工况下电池内部流体的速度分布图，由图5(a)可以看出速度在质子交换膜燃料电池内部的分布规律，沿着流动方向，速度场很快形成了规则的分布规律；但是图5(b)振动工况下电池有效气体流道速度场发生扰动，会影响质子交换膜燃料电池的性能。

图5 流场分布图Fig.5 Distribution of the flow field

4.2 气体分布

流场中气体含量最大与最小值之差，其大小可以反映出气体在流场中的分布均匀情况。相同的边界条件下，两种工况下质子交换膜燃料电池阳极氢气质量分布、阴极氧气质量分布分别如图6、图7 所示。由图6、图7 可知，从入口到出口气体质量分数均呈逐渐减小的趋势，无振动工况下氢气的质量分数最大为0.55，振动工况下氢气最大质量分数为0.5；振动工况下氧气质量分数有小幅度降低。所以振动会弱化反应气体在流场的扩散作用，从而使得质子交换膜电池性能有所下降。

图6 阳极入口到出口氢气质量分布云图Fig.6 Cloud image of hydrogen mass distribution from anode inlet to outlet

图7 阴极入口到出口氧气质量分布云图Fig.7 Cloud image of oxygen mass distribution from cathode inlet to outlet

4.3 电池性能

质子交换膜燃料电池性能主要通过电流密度-电压变化曲线、电流密度-功率密度变化曲线等进行表征，在有、无船舶振动情况下质子交换膜燃料电池性能曲线如图8 所示。对于电流密度-电压变化曲线而言，相同电流密度下，振动会造成质子交换膜燃料电池电压下降，电池性能降低。从电流密度-功率密度变化曲线来看，相同电流密度下，振动会造成质子交换膜燃料电池功率密度下降。具体而言，在电流密度为1.5 A·cm-2时，无振动工况下电池电压为0.551 6 V，振动情况下电池电压降为0.540 2 V，电池功率密度下降了2%，与文献[12]试验结果(振动与冲击载荷下燃料电池堆输出功率下降了3.5%)较吻合。

图8 PEMFC 性能变化曲线图Fig.8 Performance curves of PEMFC

5 结论

船舶振动环境会对质子交换膜燃料电池速度场造成扰动，干扰其气体流场分布规律，从而影响内部组分传输，并导致质子交换膜燃料电池性能发生一定程度衰变；船舶振动载荷(5 Hz，1.6 mm)影响下，质子交换膜燃料电池性能曲线呈下降趋势，在电流密度为1.5 A·cm-2时其电压、功率密度均下降了2%。船舶环境影响不仅仅船舶振动，还有其他方面的影响，后续工作除了对更多船舶振动载荷影响进行研究外，还需进一步考虑多种影响因素影响及其耦合影响，并开展质子交换膜燃料电池性能控制方面技术研究。