两种不同结构质子交换膜燃料电池的性能分析

宋江南，黄 瑛

(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

质子交换膜燃料电池能够将燃料的化学能在不经过燃烧的条件下直接将其转化为电能和热能，效率高且对环境友好[1-3]，是一种重要的可再生能源，具有良好的应用前景[4-5]。其在工作过程中能够快速启动，具有静音的特点，接近零排放(残留物仅为液态水和热量)，而且它不受卡诺效率的限制[6-7]。这种符合当今可持续发展价值观的储能装置正在被越来越多的国家和企业所采用。双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部件[8]，可以作为质子交换膜燃料电池传输电能和热能的通道，在阴极和阳极气体的分离和分配中具有重要作用。它约占燃料电池重量的80%和电池堆重量的45%[9]。双极板的结构会对燃料电池的性能产生很重大的影响[10]。如何对双极板结构进行优化设计成为了研究者们的研究重点。

燃料电池的流场设计有4种基本形式，即平形流场、蛇形流场、点阵形流场和交指形流场[11]。研究者们为探究双极板的结构对燃料电池性能的影响做出了很多尝试。李子君等[12]对比研究了直流道和波形流道对 PEMFC 性能提升的机理,分析了两种流道内氧气、液态水、速度以及电流密度分布。结果表明，在较高电流密度下，三维波形流道强化了狭窄通道部分氧气向催化层的传输，提高了氧气的供应，有效去除了流道内的液态水，使峰值功率密度提高了10.16%。周伟等[13]分析了不同三维流场结构在水热管理方面的优势 ，进一步讨论了增强水热管理的技术措施，归纳分析了三维流场在实际应用中面临的挑战及未来的发展趋势。

GHANBARIAN等[14]提出了质子交换膜燃料电池平行蛇形流场的合理设计方法。考虑了通道宽度和高度、相邻通道间的肋、平行通道数和蛇形转弯数等参数，确定了在这些设计参数范围内的所有可能的流场结构，通过仿真模拟找出了能够得到最小压降的流场结构。VIOREL[15]通过改变单蛇形-两通道燃料电池的通道长度和肋宽来探究通道长度和肋宽对燃料电池性能的影响。结果表明，肋宽最窄(0.75 mm)的模型沿沟道间气体扩散层区域的速度分布相当均匀；当肋宽为1.25 mm时，在蛇形区域内通过气体扩散层呈现中等对流流动(8%)，在两个通道之间沿整个气体扩散层区域的肋对流程度第二高，阴极边界氧气消耗情况最好，局部最均匀。

上述研究结果说明，合理布置的流道能够有效提升燃料电池的性能。本文主要在50 mm×50 mm的流场区域内建立单通道蛇形流场和平行流场两种质子交换膜燃料电池模型，采用有限元网格划分软件HyperMesh进行网格划分，利用计算流体力学仿真软件(Fluent)探究不同的流场分布方式对燃料电池性能的影响。

1 模型与参数

1.1 几何参数

流场的主要功能是为反应气体提供适合电化学反应的场所，将反应气体均匀分布在流道中使其充分反应，保证反应气体的对流与扩散，方便电化学反应生成的液态水排出以及为电化学反应中电子传导和热传递并排出废热提供途径。在燃料电池正常工作中，双极板的结构形式很大程度上影响了在流道中进行的各种化学反应和物理变化。因此，双极板的结构直接影响到质子交换膜燃料电池的性能。

在燃料电池仿真计算过程中，需要建立9个模型计算区域，分别是阴极和阳极的集电极、流场、气体扩散层、催化层以及质子交换膜。其中，SolidWorks软件建立的三维模型如图1和图2所示，主要考虑燃料电池阴极不同流场形式对燃料电池性能的影响，两种不同结构的燃料电池仅流道分布结构不同，分为平行流场和蛇形流场，其他模型参数均相同。流道长宽均为1 mm，质子交换膜厚0.05 mm，气体扩散层厚0.2 mm，催化层厚0.01 mm，活化面积为25 cm2。

图1 平行流场燃料电池的总体结构Fig.1 Overall structure of parallel flow field fuel cell

图2 蛇形流场燃料电池的总体结构Fig.2 Overall structure of serpentine flow field fuel cell

1.2 物性参数与边界条件

规定燃料电池进气口为质量流量入口，出口为压力出口，壁面温度保持353 K不变。采用基于Simple算法进行离散型迭代求解，不考虑重力的影响，阴极和阳极集电极设置为固体，其余部分均为流体。压力采用表1作为仿真中设置的物性参数，表2为求解所设置的边界条件。在仿真过程中，采用恒电位边界条件，阴极集电极电势从靠近开环电路的高电位逐渐降低，每次迭代得到相对应的电流密度，拟合结果即得到极化曲线。

表1 物性参数Tab.1 Physical parameters

表2 边界条件Tab.2 Boundary condition

2 模型假设

为方便燃料电池的计算，对计算条件进行如下假设：1)燃料电池的计算环境为稳态状态；2)流场中气体为不可压缩气体；3)燃料电池内部流体的雷诺数小于2 300，流体的流动为层流；4)计算过程中温度始终不发生变化；5)质子交换膜没有透水性和透气性；6)不考虑重力的影响；7)多孔介质为各向同性材料。

3 数学模型方程

3.1 质量守恒方程

(1)

式中：ρ为气体混合物密度；ε为孔隙率；v为气体速度矢量；Smass为质量源项。

3.2 能量守恒方程

(2)

式中：cρ为定压比热；T为温度；keff为有效导热系数；Se为能量源项。

3.3 动量守恒方程

(3)

式中：p为压强；Smom为动量源项。

3.4 电荷守恒方程

▽(σsol▽Φsol)+Rsol=0

(4)

▽(σmem▽Φmem)+Rmem=0

(5)

式中:σsol和σmem为固相和膜相的电导率；Φsol和Φmem为固相和膜相的电势；Rsol和Rmem为固相和膜相的电流源相。

3.5 巴特-沃尔默方程

(6)

(7)

4 网格无关性证明

采用HyperMesh网格划分工具，网格采用6面体网格，用3种不同网格单元数的网格将模型进行划分。网格均为结构化网格，模型均未出现负体积，case1、case2和case3分别对应的网格单元数为1 682 020、1 840 556和2 160 668。图3为准备计算的燃料电池局部结构网格，其中网格单元数为1 682 020。网格无关性检测通过对3种不同网格单元数的模型进行仿真分析，模型选取平行流场的燃料电池，在恒定电压下求得电流密度，从而绘制出极化曲线。对比3种网格划分数量的燃料电池的极化曲线，结果如图4所示。在不同网格单元数下，3种燃料电池的极化曲线误差范围在5%以下，误差在合理范围内，可以验证网格单元数不会对仿真结果造成影响。

图3 燃料电池局部网格Fig.3 Fuel cell local grid

图4 网格无关性检测Fig.4 Grid independence detection

5 结果与分析

5.1 极化曲线分析

极化曲线是衡量质子交换膜燃料电池性能的重要依据。图5显示了两种不同类型流场的质子交换膜燃料电池的极化曲线。从图5中可以看出，两种流场分布的燃料电池在电流密度较小时的电池性能相差很小，两种燃料电池的活化极化和欧姆极化现象无明显区别。当电流密度超过4 A/m2时，蛇形流场的浓差极化现象相较于平行流场要明显。这是由于平行流场的流体在平行流道内部流动时流体分布不均匀，导致电化学反应不能够充分进行。而且平行流场在靠近进口和出口的流体流动速度较大，而在流道内流动速度较小，如图6所示。

图5 两种极化曲线对比Fig.5 Comparison of two polarization curves

图6 平行流场反应气体流速Fig.6 Reaction gas velocity in parallel flow field

而蛇形流场燃料电池流道内反应气体的流速均匀且流速高(如图7)，使反应流体在燃料电池流道内部更具流通性，反应流体能够充分接触，提升能量转换效率。蛇形流场进口与出口的距离较长，压差大且流速高，使燃料电池电化学反应生成的液态水能够及时排出，避免发生水淹现象造成流体的阻塞，从而能够提高燃料电池的性能。

图7 蛇形流场反应气体流速Fig.7 Reaction gas velocity in serpentine flow field

5.2 阴极流体分布均匀性分析

图8为蛇形流场质子交换膜燃料电池流道内氢气的质量分布。由于蛇形流场为单通道流场经过曲折回转排布，流道的长度提高，反应气体从进口到出口随着反应的进行不断消耗，导致从流道进口到出口的压降增大，使得反应气体的质量分数从进口到出口逐渐减小，反应气体的浓度分布不均造成电流密度的分布不均匀，使得燃料电池的性能降低。较高的压降会导致较高的寄生功率，使燃料电池的总效率降低。由于进口和出口之间存在较大的压力差，整个流场的压力分配不均，严重时会使流体入口处脱水，流道内各部位发生流体溢出现象，流道各部位之间流体泄露，影响电化学反应的正常进行。

图8 蛇形流场氢气质量分布Fig.8 Hydrogen mass distribution in serpentine flow field

如图9为平行流场气体扩散层内的氢气分布。平行流场的流道相较于蛇形流场更短，反应气体在流道内流动的压力损失较小，使反应气体在燃料电池内部分布不会从进口到出口逐渐降低，而是在整个反应区域内的局部地区有质量分布差异。相较于蛇形流场，平行流场内反应流体的分布更加均匀，更有利于反应物充分反应，表现出优于蛇形流场的气体扩散方式。

图9 平行流场氢气质量分布Fig.9 Hydrogen mass distribution in parallel flow field

5.3 压力云图分析

如图10，蛇形流场的压力分布和反应气体分布情况类似。蛇形流场最高压力为98 509.5 Pa，最低压力为4 000 Pa。在平行流场燃料电池内部，反应最高压力数值为452 538 Pa，最低压力为1 713 Pa(见图11)。在蛇形流场燃料电池内部的平均压力相较于平行流场的平均压力要低很多，由于蛇形流场的反应流体整体流速高，多余反应气体和反应产生的液态水能够有效地排出，所以平均压力较低，整体压力分布从进口到出口逐渐降低。在平行流场燃料电池中，由于流道内部的反应流体和反应流体产物整体流速较低，平行流场各个流道平行排列且紧密，流体的流动容易产生拥堵现象，因此整体流场的压力水平偏高。

图10 蛇形流场压力云图Fig.10 Pressure nephogram of serpentine flow field

图11 平行流场压力云图Fig.11 Pressure nephogram of parallel flow field

在平行流场中，由于反应的进行，反应气体不断消耗，压力从进口到出口逐渐平稳降低，呈阶梯状分布。平行流场反应流体分布不均，导致通道靠近入口端反应气体的压力较大，靠近出口端反应流体压力较小。但由于流道长度相比于蛇形流场短，流道的压力损失比蛇形流场小，使电流密度分布均匀，能够让电化学反应更稳定地进行。

6 结论

通过仿真和对比图像结果，对两种不同流道分布方式的质子交换膜燃料电池的性能进行分析，得出如下结论：

1)平行流场流道长度短，反应压降小，但反应流体流动速度在靠近进出口处和流道内差异较大，使流体分布不均，供气量不足。内部流体难以顺畅流动，造成水淹现象，降低燃料电池性能。

2)蛇形流场流道长度长，反应压降大，反应流体流速较高而且速度分布均匀，能够快速排出反应生成的液态水，避免水淹现象。但由于流道长度过长，使得从进口到出口的压力损失增大，且随着反应物的消耗，从进口到出口反应物的浓度逐渐降低，造成电流密度的分布不均匀，不利于燃料电池的整体性能发挥。