PEMFC阴极的强化传质机制

蔡永华,魏 帆,吴 迪,孙靖茗

（1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070; 2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430070; 3.新能源与智能网联车湖北省工程技术研究中心,湖北 武汉 430070; 4.武汉理工大学汽车工程学院,湖北 武汉 430070）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高效、环保、节能等优势,是有前途的便携式动力能源,但商业化还面临一些问题,如组件耐久性差和成本高等。对高电流密度下电池性能和耐久性衰退机制的研究认为,反应物运输能力较差是导致反应物缺乏和产生水淹的主要原因[1]。B.W.Wang等[2]通过准二维模型的仿真,发现提高阳极、阴极入口压力,分别对电压下降起到缓解和加剧作用。优化流场结构设计,也可增强电池的传质能力。姚国军等[3]设计的PEMFC采用迷宫流场结构双极板,具有较大的功率密度,最大值为0.52W/cm2。Y.Yin等[4]探究了挡板高度和挡板数量在特定电压下对电池性能的影响,指出:挡板高度为70%、挡板数量为5个时,电池净功率提升最大。刘志春等[5]发现,各单体电池若合理采用非均匀深度流道,可提高电池堆流量分布的均匀性。此外,一些研究者关注于传统流场的改造。H.Heidary等[6]通过模拟和实验探究,发现相较于直线排列方式,平行流场中堵块交错排列的电池性能增加了7%,能够提供更可靠的性能。T.Monsaf等[7]分析螺旋流场的流道宽度和螺旋圈数,发现增加流道的宽度有利于反应物的均匀分布,适当增加螺旋的数量,有利于提高功率密度。蔡永华等[8]建立三维单流道模型,分析过量系数和堵块高度作用机制的差异,发现强化传质流场中的堵块迫使气流进入扩散层的作用,能在所有电流密度下生效;而提高过量系数,在低电流密度下无法通过浓度扩散提高扩散层中氧气浓度。

本文作者在Fluent软件中建立4种堵块高度的强化传质流道三维模型及传统直流道单流道三维模型,通过数值模拟研究不同阴极过量系数和堵块高度的共同作用对PEMFC性能和传质性能的影响,分析得出堵块高度和过量系数共同作用下的氧气传输机理。

1 模型与参数

PEMFC模型是一个复杂的三维多相的系统,包含物质传输、相变、传热和电化学等。为了在模拟仿真中体现出结构对PEMFC传质性能的影响,需要建立几何模型与数值模型,并基于一些假设进行仿真。几何模型与数值模型的建立、仿真基于的假设、边界条件、模型有效性验证和网格独立性验证见文献[8]。

2 结果与讨论

2.1 过量系数和堵块高度的共同作用机制

具有不同堵块高度的阴极强化传质流场的电池模型在不同过量系数下的极化曲线见图1。

从图1可知,与文献[8]中直流道结构在各过量系数下的极化曲线相比,在堵块高度和过量系数的共同作用下,当堵块高度为50%、70%、90%和 94%时,最大功率分别提升了14.8%、15.7%、18.4%和24.3%。在电流密度超过1.6 A/cm2（直流道最大功率所对应的电流密度）后,电池性能衰退较慢,说明拓展了极限电流密度;在低电流密度下,电池的性能基本一致。此外,以直流道结构在过量系数3.0工况下的总功率密度0.829W/cm2为标准,堵块高度为50%、70%、90%和94%的模型,在过量系数为2.5时的功率密度分别达到了0.820W/cm2、0.826W/cm2、0.837W/cm2和0.856W/cm2。这表明,在满足同等功率需求时,增设堵块的结构所需进气量比直流道结构少。随着过量系数的增大,该现象更明显。94%高度模型在3.0过量系数下的电池性能（0.887W/cm2）已超过直流道结构在5.0过量系数下的0.874W/cm2[8],减少了40%的进气量。这说明,增设堵块结构可以提高电池的燃料经济性。

图1 各电池模型在不同过量系数下的极化曲线Fig.1 Polarization curves of each cell model under different excess coefficient

不同堵块高度的模型在不同过量系数下的压降见表1。

从表1可知,在堵块高度不高于70%时,压降较小,维持电池运行所需的补偿功率密度基本可忽略不计。在堵块高度不低于90%时,压降至少为3 558.27 Pa,且随着过量系数的增加而增大,因此净功率密度会受到较大的影响。

表1 各电池模型在不同过量系数下的压降Table 1 Pressure drop of each cell model under different excess coefficients

不同堵块高度的模型在不同过量系数下的净功率密度见图2。

图2 各电池模型在不同过量系数下的净功率密度Fig.2 Net power density of each cell model under different excess coefficients

从图2可知,在堵块高度低于90%时,无论处于何种过量系数下,最大功率密度的下降幅度都小于5‰;在堵块高度为90%,过量系数高于3.0时,最大功率密度的下降幅度已经超过5‰;甚至在过量系数为5.0时,该幅度可达2.8%。在堵块高度为94%时,最大功率密度的下降幅度最多可达8.51%,严重影响了净功率密度。这表明,虽然电池功率随着堵块高度和过量系数的提升能得到良好的改善,但所需的补偿功率也会随之上升,并且补偿功率的数量级与堵块高度成正相关。

不同堵块高度模型的催化层和气体扩散层中平均氧气摩尔浓度随电流密度变化的关系见图3。

从图3可知,在堵块高度不到90%时,堵块结构与直流道结构[8]相似,存在氧气浓度上限,且氧气浓度上限相差较小。这一上限在堵块高度达到90%时被突破,尤其是堵块高度为94%的模型,低电流密度时的氧气浓度超过直流道20%以上。随着电流密度增大,氧气的消耗加剧,氧气传质能力的提升效果更加显著,浓度提升幅度最大可达到38%;而在低过量系数时,也能看到显著的氧气浓度差异。在堵块高度为94%的模型中,氧气浓度提升幅度更明显,在过量系数为5.0时,流道前半段浓度均在6.0 mmol/m3以上。

图3 各电池模型在不同过量系数下的氧气摩尔浓度Fig.3 Oxygen molar concentration of each cell model under different excess coefficient

2.2 基于过量系数和堵块高度的无量纲分析

基于直流道和不同堵块高度结构的电池在过量系数分别为2.0、3.0、4.0和5.0的工况下的最大净功率密度,建立与堵块高度和过量系数相关的经验公式,无量纲参数K作为预测电池性能的经验参数。

式（1）中:h为堵块高度占流道高度的百分比;s为过量系数。

由于在燃料电池的实际使用中,流道结构固定而工况可变,对K值求s的偏导,可得:

根据式（2）可知,因为堵块高度h是堵块高度占流道高度的比值,范围为0～1,所以对于无堵块结构,K值在过量系数s为5.3时最大,即直流道电池运行在该工况下,净功率密度最大。对于堵块高度为94%的结构,K值在过量系数s为4.8处取得最大值,即在某一堵块高度下,K值将在过量系数s达到某一值时出现峰值。据此推论,分别进行过量系数为4.8、5.0和6.0的工况下堵块高度94%的结构和过量系数为1.5、2.5和3.5的工况下各结构K值的计算和数值模拟,通过对比K值和实际最大净功率密度的变化趋势,验证K值对于性能预测的有效性,结果见图4。

图4 K值与实际性能变化趋势一致的验证Fig.4 Verification of consistency between K value and actual performance changing trends

从图4可知,电池性能随堵块高度和过量系数的变化趋势,基本上与K值的变化趋势一致。这说明,与堵块高度和过量系数相关的无量纲参数K,可用于指导燃料电池流道结构设计,能够减少设计所需的实验成本和仿真时间。

不同堵块结构在不同过量系数工况下的K值见图5。

图5 K值变化趋势Fig.5 Change trend of K value

从图5可知,在过量系数超过5.5后,直流道结构和堵块结构的电池都出现了性能瓶颈。直流道是因为结构的限制,扩散层和催化层中的氧气摩尔浓度达到了浓度扩散达到的上限;堵块结构是因为加大过量系数所产生的压降耗损了部分功率,降低了净功率密度。根据K值随过量系数s变化的趋势来看,K∈[20,30]时,净功率密度为0.72～0.80W/cm2,电池性能较差,阴极反应气体处于缺乏状态,净功率密度随过量系数增长的幅度较大;K∈（30,40]时,净功率密度为0.80～0.85W/cm2,电池性能随着过量系数的提升稳步上升,阴极反应气体消耗程度略大于补充程度,缺氧的状况得到缓解;K>40时,净功率密度为0.85～0.89 W/cm2,提升过量系数带来的收益已经微乎其微,阴极反应气体已经处于饱和状态,限制电池性能的因素主要是流道结构和压降补偿功率。

3 结论

本文作者对PEMFC的堵块高度和过量系数的共同作用机制进行了探究,建立并对比分析了4种堵块高度的强化传质流道三维模型以及传统直流道单流道三维模型在不同过量系数下的电池性能。主要结论如下:

与堵块高度和过量系数相关的无量纲参数K值可以用于预测阴极直流道结构和堵块结构在不同过量系数下的性能变化趋势。K∈[20,30]时,反应气体匮乏,需要增加过量系数;K∈（30,40]时,阴极缺氧的状况随过量系数的提升而缓解;K>40时,阴极反应气体充足,限制电池性能的原因主要是流道结构对反应气体的容纳量有限或补偿功率的增加幅度大于性能提升的幅度。

直流道结构存在氧气浓度上限,提升过量系数无法进一步提升流道内氧气浓度,而增设堵块的结构能够在大过量系数下发挥更好的传质强化效果。增设94%高度堵块的结构相较于直流道,同等情况下氧气浓度提升幅度分别为20%（低电流密度）和38%（高电流密度）。

增设堵块的结构可提高电池燃料经济性。与直流道结构相比,增设94%高度的堵块,最多可降低40%的进气量。

堵块高度≤70%时,虽然对电池性能提升幅度较小,但能够拓展极限电流密度,且堵块所产生的压降可忽略不计;在堵块高度≥90%时,堵块对催化层和扩散层中氧气浓度提升幅度虽然显著,但可能造成至少3 558.27 Pa的压降。