流道脊宽对梯形流道质子交换膜燃料电池性能的影响

王琦，徐晓明，司红磊，仝光耀

1.镇江市高等专科学校 交通学院，江苏 镇江 212018；2.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；3.镇江江雨诚石管理咨询服务有限公司，江苏 镇江 212013

0 引言

近年来，随着化石燃料能源的大量消耗，急需要寻找内燃机的替代品。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有不受卡诺循环限制、能量转换效率高、污染小等优点，是目前内燃机的最佳替代新能源装置之一[1-4]。双极板作为PEMFC的重要组成部分，具有向膜电极组件提供反应物气体、为燃料电池堆提供结构性机械支撑及电气连接的作用，并管理电池内产生的热量和水[5-6]，因此，双极板的设计对PEMFC的性能和功率密度具有重要影响。

提高PEMFC性能有多种途径，目前研究多集中在流道设计和水热控制上[7-9]，关于脊对电池性能影响的研究相对较少。Shimpalee等[10]、Wang[11]研究了PEMFC在稳态和暂态运行时的水管理问题，但文献中缺乏流场设计对电池性能的影响。Oosthuizen等[12]利用有限元程序FIDAP中的单相非等温模型研究了PEMFC脊下的输运及不同渗透率下通过气体扩散层到通道的水传输现象。Yoon等[13]在80 cm2的电池上进行了不同脊宽的试验，研究不同操作条件对电池性能的影响，但试验中通道路径的长度或通道的数量取决于流场板的形状，增加了因变量。Shimpalee等[14]研究了有效面积为480 cm2的电池单体在不同湿度条件下的工况，但没有分析不同的流场结构对电池性能的影响。Wang等[15-16]利用三维模型研究了单蛇形流场和三蛇形流场的流道结构对PEMFC性能的影响，发现在低工作电压下，降低通道宽高比可增大气体入口流速，能改善液水堆积现象并提高电池性能。Ghanbarian等[17]研究了通道高度、宽度、间距和平行通道数等参数对PEMFC局部输运特性的影响规律。Zehtabiyan-Rezaie等[18]通过在平行流场中改变流道倾角，研究横截面面积对燃料电池性能的影响，结果表明：当通道倾角为0.3°时，净输出功率比平行流道方案提高16%。Cooper等[19]通过试验研究了交叉指流场设计中的通道宽高比对电池性能的影响，结果表明：由于寄生泵损耗的影响，净功率密度随通道宽高比的减小而增大。

本文运用流体动力学软件Fluent进行多相流方法模拟，研究不同脊宽的梯形截面流道PEMFC在343 K下的稳态性能，通过质子交换膜温度、阴极气体扩散层和催化层接触面的水饱和度和氧气的质量分数等参数分析脊宽对PEMFC性能的影响规律。

1 数学模型

PEMFC的工作机理遵循质量守恒、动量守恒、组分守恒、能量守恒和电荷守恒[20-23]。

质量守恒方程为：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；μ为速度矢量，m/s；Sm源项为电化学反应区(阳极和阴极的催化层)中反应组分质量的消耗或生产率。

动量守恒方程为：

组分守恒方程为：

式中：Xi为流体中各组分的质量分数；Di为各组分的有效扩散系数，m2/s；SXi源项为催化层中每种组分(如氧、氢和水)的消耗或产生速率，气体扩散层和气体通道中为0。

能量守恒方程为：

式中：T为温度，K;k为导热系数，W/(m·K)；cp为比热容；ST为温度方程的源项，表示各种欧姆热产生热量的速率，聚合物电解质膜燃料电池工作时的相变热、化学热和过电位。

电荷守恒方程为：

▽(σ▽φH+)=SφH+，

▽(κ▽φe-)=Sφe-，

式中：σ、κ分别为质子和电子电导率，S/m；φH+、φe-分别为质子和电子的势；SφH+、Sφe-分别为质子和电子流的源项。

2 仿真模型

2.1 网格划分

图1 PEMFC模型

通过Fluent软件搭建PEMFC模型，如图1所示。为得到最佳的仿真结果，划分网格时采用六面体网格，对于梯形流道边界、质子交换膜和催化层等几何形状较为复杂和反应剧烈的位置，网格进行细化，划分为约91万个网格，满足总体要求。

2.2 边界条件及参数

假设气体是理想气体，并且流体为不可压缩的层流，催化层和质子交换膜是各向同性材料。入口边界条件为质量流入口，出口为压力出口。流道脊宽分别设置为0.6、0.8、1.4、1.6 mm。考虑环境温度为343 K，故设置流道上下端面为343 K的壁面进行模拟[24-26]。该PEMFC的单体开路电压为0.95 V，实际工作电压为0.50 V，进气方式为单通道同方向进气，几何参数如表1所示。

表1 PEMFC的几何参数 mm

3 计算结果分析

3.1 脊宽对质子交换膜温度的影响

图2 不同脊宽的质子交换膜温度分布云图

质子交换膜燃料在电池工作时放出大量热量，导致电池温度过高引发结构损伤，使阴极的氢气和阳极的氧气直接接触，降低电池性能。同时，温度过高也会影响质子交换膜的润湿程度，进而影响质子的传输效率。因此，温度是衡量PEMFC性能的重要指标之一。

不同脊宽的质子交换膜温度分布云图如图2所示。由图2可知：随脊宽增大，质子交换膜表面温度下降；质子交换膜温度总是沿流道的方向逐渐降低；脊宽为0.6 mm时，质子交换膜上高温区域面积最大，其他脊宽的高温面积相似；脊宽越大，质子交换膜的温度均匀性越好。

3.2 脊宽对水饱和度的影响

图3 不同脊宽的水饱和度分布云图

PEMFC产生电流的过程也产生副产物水，有助于质子交换膜的润湿，但生成的液态水如果不及时排出将阻塞气体扩散层的孔隙，氧气的传质能力会受到极大影响，最终阻碍电化学反应的发生。梯形截面流道优于矩形截面流道主要是前者的排水性能较好[27]。

不同脊宽的气体扩散层和催化层接触面的水饱和度分布云图如图3所示。由于质子交换膜表面温度沿流道方向降低，使得电化学反应产生的气态水沿流道方向逐渐液化。由图3可知：随脊宽增大，沿流道方向前30 mm的水饱和度增加，尾部的水饱和度降低，说明脊宽增大有利于水的排出；随脊宽增大，高水饱和度的面积增大；在接触面中间靠前位置有一处低水饱和度区域，在脊宽为0.6 mm时不存在低水饱和度区域，在脊宽为0.8 mm时低水饱和度区域面积最大，随脊宽增大，低水饱和度区域面积逐渐减小，说明该位置处液态水量较小，氧气的润湿不足，随脊宽增大，这种情况会缓解。综上所述，脊宽增大可提高电池的水管理性能。

3.3 脊宽对氧气的质量分数的影响

图4 不同脊宽的氧气的质量分数分布云图

脊宽增大引起流道截面减小，影响PEMFC内部燃料的传质能力。不同脊宽的气体扩散层和催化层接触面氧气的质量分数分布云图如图4所示。由图4可知：流道入口处氧气的质量分数最大，沿流道方向逐渐降低，脊宽越大，氧气的质量分数越低；在流道25 mm处氧气的质量分数有上升趋势，导致此处的水饱和度被氧气的质量分数所抑制，因此图3中水饱和度在该位置出现了明显的突变；随脊宽的增大，氧气的质量分数分布呈现流道截面中间高、两边低现象，原因是脊宽增大时流道截面减小，氧气在气体扩散层中传质时被消耗，无法扩散到边界处。由于PEMFC的供气是过量供气，因此不能只通过接触面氧气的质量分数作为评判电池性能的标准。

表2 不同脊宽的电池输出平均电流密度

不同脊宽的电池输出平均电流密度如表2所示。由表2可知：随脊宽增大，平均电流密度减小，脊宽增加1 mm，电流密度减少了14%。结合图4分析可知，脊宽增大使电池两侧氧气传质能力下降，导致电池两侧电化学反应程度衰减，输出电流密度降低，说明随脊宽增大，参与反应的氧气量不足，需要加大氧气的供给。

4 结论

本文通过Fluent软件搭建PEMFC三维模型，仿真分析了脊宽对梯形截面质子交换膜燃料电池性能的影响。

1)脊宽增大降低了电池质子交换膜表面的温度，提高了电池的温度均匀性。

2)脊宽增大能增加电池流道靠入口位置的水饱和度，提高了电池的水管理性能。

3)脊宽增大会减少气体扩散层和催化层接触面的氧气分布，尤其是电池流道截面两侧位置，同时会降低输出平均电流密度，因此在应用中需提高氧气的进气量来改善电池内部的氧气供给。