质子交换膜燃料电池流动传热特性研究

杜跃斐,姜慧羚

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

随着全球科技水平的快速发展,人们对环境问题和能源问题的危机认识逐渐加深,一些知名研究机构和汽车企业将新型能源作为目前和下一阶段社会可持续发展的研究方向。燃料电池具有接近零排放、清洁、高效的特点,被认为具有较广的应用前景。质子交换膜燃料电池是实现氢能利用的一种燃料电池,其电堆中内部流场非常复杂,形成具有良好流动特性的流场结构是提高质子交换膜燃料电池工作输出性能的一个关键因素。燃料电池内部流场结构决定了反应物与生成物在流道内部的流动和扩散,合理的流场结构设计可以保证阴极、阳极气体均匀分配,确保燃料电池有恒定的输出功率,并且将生成物顺利排出,不会产生燃料电池无法正常工作的情况。

近年来,很多科研和工程技术人员对燃料电池进行了研究,包括采用先进仿真手段和测试技术,对质子交换膜燃料电池内部流动和电化学反应机理进行研究。陈磊[1]针对矩形流道建立不同流道尺寸的燃料电池几何模型,使用Fluent软件仿真计算燃料电池的工作过程,研究流道内压力、反应物浓度、温度、水浓度的分布情况。徐一凡[2]围绕金属极板质子交换膜燃料电池中生成水的传输过程,开展水-气传输理论建模、规律分析及流道设计优化,为电堆流场设计提供了理论方法。林鹏[3]研究了质子交换膜燃料电池电堆在封装载荷作用下的力学问题,以数值仿真为主要方法。文献[4-6]采用数值模拟和试验,对质子交换膜燃料电池流场结构和性能进行研究,为燃料电池的流场设计提供指导。文献[7-10]也采用数值模拟技术对质子交换膜燃料电池流场结构进行了研究。

笔者利用计算流体动力学仿真技术,对质子交换膜燃料电池的流道建立三维数学仿真模型,通过Fluent软件对质子交换膜燃料电池性能进行分析,研究质子交换膜燃料电池内部流动传热特性,得到质子交换膜燃料电池流道内沿流动方向的物质含量变化规律及原因。研究结果可以用于对质子交换膜燃料电池进行优化设计,提高质子交换膜燃料电池的性能。

2 质子交换膜燃料电池工作原理

可以将质子交换膜燃料电池看作一种能量转换装置,根据电化学原理,等温地将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能。质子交换膜燃料电池工作原理如图1所示。质子交换膜燃料电池工作时,氢气在阳极催化剂的作用下反应生成氢离子和电子,阴极的氧气分子在催化剂的作用下发生反应生成氧离子,氢离子与氧离子发生反应生成无污染的水。

阳极反应为:

H2→2H++2e

阴极反应为:

总反应为:

图1 质子交换膜燃料电池工作原理

3 控制方程

质子交换膜燃料电池内部包含流体的流动、多孔介质中的气体扩散、水在电池中的传递、催化层中的电化学反应,这些同时存在并且相互影响,内部主要的控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、电荷守恒方程。

3.1 质量守恒方程

质量守恒方程为:

(1)

式中:ρ为气体混合物密度;ε为多孔介质孔隙率;u为气体混合物速度矢量;Sm为质量源项;t为时间;·(ερu)为质量流量项ερu的散度。

3.2 动量守恒方程

在多孔介质和流道中,动量守恒方程为:

=-εP+·(εμu)+Su

(2)

式中:P为压力;μ为混合气体黏度;Su为动量源项,在流道中Su为0;·(ερuu)为动量项ερuu的散度;P为压力P的梯度;·(εμu)为黏性项εμu的散度,u为速度u的梯度。

3.3 能量守恒方程

质子交换膜燃料电池的能量守恒方程为:

(3)

式中:T为热力学温度;keff为有效导热系数;cp为定压比热容;SQ为能量源项;·(ερcpuT)为热流量项ερcpuT的散度;·(keffT)为导热项keffT的散度,T为温度T的梯度。

3.4 组分守恒方程

对流流量和扩散流量是化学组分流量的组成部分,通常扩散流量遵循菲克定律。化学组分守恒方程为:

(4)

3.5 电荷守恒方程

质子交换膜燃料电池内部的电势分为固相电势和膜电势,根据欧姆定律,电荷守恒方程为:

(5)

(6)

式中:φe、φm分别为固相电势和膜电势;σ为电解质电导率;Sφ,e、Sφ,m分别为质子电流源相和电子电流源项;·(σeφe)为固相电流项σeφe的散度,φe为固相电势φe的梯度;·(σmφm)为膜电流项σmφm的散度,φm为膜电势φm的梯度。

4 建模

计算对象为一个单独的质子交换膜燃料电池单元,包括阴极和阳极的极板、气体流道、扩散层、催化剂层、质子交换膜等部件,两极流道为直线型。质子交换膜燃料电池单流道截面如图2所示。

图2 质子交换膜燃料电池单流道截面

质子交换膜燃料电池流道的几何模型较为规则,因此采用先建面后拉伸的策略生成六面体结构化网格。质子交换膜燃料电池网格模型如图3所示。各部件在厚度、宽度、长度方向上均保持足够量的网格层数分配,总体网格数为62万,网格质量保持在0.99以上。

图3 质子交换膜燃料电池网格模型

5 仿真参数

质子交换膜燃料电池仿真涉及的参数较多,包括流体参数、传热参数、电化学参数等,主要仿真参数见表1。

采用质量流量入口及压力出口。阳极入口质量流量为6×10-7kg/s,温度为353 K,氢气与水蒸气的质量分数分别为0.8、0.2。阴极入口质量流量为5×10-7kg/s,温度为353 K,氧气与水蒸气的质量分数分别为0.2、0.1。两极出口压力均默认为零,温度保持在353 K。

表1 质子交换膜燃料电池主要仿真参数

除两极进出口外,模型中的其余面均做壁面处理。电池两极端面上还需添加相应的电压数值,阴极端面电压为0.75 V,阳极端面电压为零。

6 仿真结果

提交计算后,通过监控收敛曲线,可知在迭代350步后计算收敛,收敛曲线如图4所示。图中continuity为连续性方程残差,x-velocity、y-velocity、z-velocity为三个方向的速度残差,energy为能量方程残差,H2、O2、H2O依次为氢气、氧气和水含量残差,uds-0、uds-1、uds-2为用户自定义参数残差。

图4 计算收敛曲线

入口段的温度分布如图5所示。由计算结果可知,质子交换膜及催化剂层温度最高,且沿着两极极板方向温度逐渐降低。这是由于质子交换膜燃料电池发生电化学反应放热的区域在质子交换膜和催化剂层,两极极板处没有热源产生,温度较低。温度分布与实际情况吻合较好。

图5 入口段温度分布

入口段的氢气含量分布如图6所示,出口段的氢气含量分布如图7所示。由计算结果可知,沿着流道方向氢气含量逐渐降低,至出口段为最低。这是由于气体通道中的氢气会通过扩散层进入催化剂层,然后因发生电化学反应而被消耗。

图6 入口段氢气含量分布

图7 出口段氢气含量分布

入口段的水含量分布如图8所示,出口段的水含量分布如图9所示。由计算结果可知,沿着流道方向,水含量逐渐提高,出口段处水含量最高。这是由于出口段处为氧气入口处,氧气含量相对最高,电化学反应生成所需的氧气供给最为充分,生成的水也最多。

图8 入口段水含量分布

图9 出口段水含量分布

7 结束语

笔者基于Fluent软件质子交换膜燃料电池模块对质子交换膜燃料电池单流道模型进行建模与仿真研究,通过提取温度场、氢气含量、水含量等结果分析质子交换膜燃料电池工作过程中的流动传热特性。

由计算结果可知, 质子交换膜燃料电池电堆工作过程中,质子交换膜由于产生电化学反应热,温度最高,并向两侧阴极、阳极极板传递热量。由于电化学反应消耗氢气,因此氢气含量沿氢气流动方向逐渐降低。由于电化学反应生成水,氧气在出口段处供给充足,因此水含量沿流动方向逐渐提高,在出口段处达到最高。

研究所得结果进一步扩展后,可用于指导质子交换膜燃料电池电堆单流道的结构优化设计。也可进一步将单流道模型扩展到整个质子交换膜燃料电池电堆模型,来模拟整块电堆在工作过程中的流体及电化学性能。