泡沫金属在PEMFC流场中的应用

王翠表,孙 峰,苏丹丹,董小平

(河北大学质量技术监督学院,河北 保定 071000)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由质子交换膜(PEM)、催化层(CL)、气体扩散层(GDL)和双极板(BP)等组成。双极板两侧的流场形式决定反应气体的流动状态,合理的流场结构可增强反应气体的传质,提高电池的输出性能[1-2]。与传统流场相比,泡沫金属作为流场,可增加反应气体与GDL的接触面积,改善气体分布状况,提高反应气体利用率[3]。D.G.Kang等[4]设计具有不同孔隙率梯度的金属泡沫流场,发现与传统的泡沫金属流场相比,具有孔隙度梯度的PEFMC的净功率密度提高了8.23%。R.L.Liu等[5]利用泡沫镍流场,提高反应气体扩散的均匀性,将电池的峰值功率密度提升到1.89 W/cm2,与石墨蛇形流场相比,提高约6%。J.Son等[3]将泡沫金属与蛇形流场相结合,以促进反应气体在整个流场中的流动,并通过改变蛇形流场的流道数量来控制金属泡沫流场长度。泡沫金属流场和双流道的蛇形流场相结合时,PEMFC在0.5 V下的电流密度提高4.7%。

本文作者建立以泡沫金属为阴极流场的三维单相等温PEMFC模型,对不同阴极流场GDL上的氧气摩尔分布进行数值分析,详细分析阳极和阴极化学计量比对具有泡沫金属阴极流场的PEMFC中氧气摩尔分数及极化曲线的影响。

1 PEMFC模型建立

1.1 物理模型

在PEMFC中,反应气体从流场流入GDL到达CL,在催化作用下,氢气发生氧化反应,失去电子成为质子。电子通过外电路到达阴极,质子通过PEM到达阴极,与氧气发生还原反应。

反应气体的快速传输及均匀分布,对电化学反应速率和均匀性的提升具有显著作用。双极板两侧的流场结构决定反应气体的流动通路,合理的流场结构对强化PEMFC内反应气体的传输、提升电化学反应速率尤为重要。

用TESCAN MIRA LMS扫描电子显微镜(捷克产)观察孔隙率为0.97的泡沫铜(江苏产,规格为100 m×20 mm×1 mm)的形貌,结果见图1。

图1 孔隙率为0.97的泡沫铜的SEM图Fig.1 SEM photographs of Cu foam with porosity of 0.97

从图1可知,泡沫金属铜具有丰富的多孔结构。这样的结构,为反应气体提供了流通空间,有利于反应气体的均匀分配。

建立具有平行流场模型的三维PEMFC,包括PEM、CL、GDL、平行流场和双极板等,如图2所示。

图2 三维PEMFC的几何模型Fig.2 Geometric model of three-dimensional(3D) proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)

为分析阴极流场对PEMFC传质、输出性能的影响,建立平行、波浪形、蛇形以及泡沫金属阴极流场,几何模型见图3。双流道平行流场与泡沫金属流场的对比见图4。

图3 4种阴极流场的几何模型Fig.3 Geometric model of four cathode flow fields

图4 泡沫金属流场与平行流场对比Fig.4 Comparison of metal foam and parallel flow fields

从图3、图4可知,与常规流场结构相比,泡沫金属流场摒弃了“流道-肋板”结构,使反应气体的流通面积得到提高。

PEMFC模型的几何参数和运行参数见表1。

表1 PEMFC几何模型参数Table 1 Parameters of PEMFC geometry model

1.2 数学模型

质量守恒方程:

式(1)中:ε为多孔介质孔隙率;ρ为反应气体混合物密度;t为时间;为反应气体混合物速度矢量;Sm为质量源项。

动量守恒方程:

式(2)中:p为反应气体压力;μ为反应气体动力黏性系数;Su为动量源项。

能量守恒方程:

式(3)中:cp为定压比热容;T为反应温度;keff为有效热导率;SQ为能量源项。

组分传输方程:

式(4)中:ck为组分浓度;Deff为组分有效扩散系数;Si为组分源项。

电荷守恒方程:

式(5)-(6)中:σsol、σmem分别为固相和膜相电导率;Φsol、Φmem分别为固相和膜相电势;Ssol、Smem分别为固相电势与膜相电势的源项。

Butler-Volmer方程:

式(7)-(8)中:j为电流密度;jref为参考体交换电流密度;c为浓度;cref为参考浓度;α为传递系数;η为过电压;下标a、c分别代表阳极、阴极;e为自然底数;R为理想气体常数;F为法拉第常数。

1.3 模型验证

为验证PEMFC模型建立和仿真方法的有效性,用文献[6]中的几何参数建立PEMFC模型,并使用相同的操作参数模拟极化曲线。将仿真数据与实验数据对比,结果见图5。

图5 极化曲线的对比Fig.5 Comparison of polarization curves

从图5可知,两条极化曲线变化规律一致,说明仿真与实验数据吻合度高,验证了PEMFC模型建立及仿真方法的有效性和可行性。

2 结果与讨论

2.1 不同阴极流场模型中氧气分布对比

氧气在GDL及CL中的分布状态对电化学反应的均匀性至关重要。工作电压为0.4 V时,阴极电化学计量比及阳极电化学计量比均为2,4种流场模型中GDL的氧气摩尔分数见图6。

图6 不同阴极GDL中的氧气摩尔分数Fig.6 Oxygen molar fraction in different cathode gas diffusion layer(GDL)

从图6可知,在4种流场中,随着电化学反应不断进行,氧气摩尔分数均沿流动方向降低。平行流场与波浪形流场的氧气摩尔分数分布规律基本一致;蛇形流场曲折结构不利于氧气向GDL的传质,且在拐角处的压力损失较大,导致GDL中氧气摩尔分数呈梯度降低。

在3种传统流场中,氧气主要分布在流道对应的GDL区域,肋板对应的GDL区域中,氧气摩尔分数几乎为零,原因是传统流场中的肋板严重阻碍了氧气向GDL的传输。泡沫金属流场GDL中的氧气摩尔分数更高且分布更均匀,与平行流场、波浪形流场以及蛇形流场相比,泡沫金属流场GDL中的平均氧气摩尔分数分别提高了39.43%、39.89%和136.72%。这是由于泡沫金属的多孔结构可降低传质阻力,增加了反应气体与GDL之间的接触面积。

2.2 不同阴极流场PEMFC的极化曲线

4种流场模型的极化曲线见图7。

图7 4种流场模型的极化曲线Fig.7 Polarization curves of four flow field models

从图7可知,在4种流场模型中,泡沫金属作为阴极流场时,PEMFC的输出性能最佳;蛇形流场作为阴极流场时,输出性能最差;平行和波浪形流场作为阴极流场时,输出性能相似。当工作电压为0.30 V时,平行流场、波浪形流场、蛇形流场和泡沫金属流场模型的电流密度分别为1.607 7 A/cm2、1.610 7 A/cm2、1.260 9 A/cm2和1.750 6 A/cm2。与其他3种模型相比,泡沫金属为阴极流场的PEMFC,电流密度分别提高了8.89%、8.69%和38.84%。

2.3 化学计量比对PEMFC性能的影响

化学计量比是燃料电池的重要操作参数之一。当泡沫金属流场模型的阳极化学计量比ζa=1.5、2.0、2.5、3.0和阴极化学计量比ζc=1.5、2.0、2.5、3.0时,不同化学计量比对PEMFC极化曲线的影响见图8。

图8 不同化学计量比泡沫金属流场模型PEMFC的极化曲线Fig.8 Polarization curves of PEMFC model with metal foam flow field with different stoichiometric ratios

从图8(a)可知,PEMFC的输出性能随着ζa的增加而逐渐提高。当ζa较低时,提高化学计量比,可提高PEMFC的输出性能;当ζa较高时,化学计量比对PEMFC性能的影响较弱。工作电压为0.25 V时,PEMFC电流密度在ζa=3.0时,为2.095 3 A/cm2,比ζa=1.5时高51.80%。

当ζa由1.5增加至3.0时,相邻ζa之间电流密度的差值分别为0.427 9 A/cm2、0.233 6 A/cm2和0.053 5 A/cm2。ζa在1.5和2.0之间时,对PEMFC的性能影响最大。从图8(b)可知,提高ζc对燃料电池性能的提升有限,ζc=3.0时的电流密度为1.809 5 A/cm2,仅比ζc=1.5时提高了0.16%。

为探究ζa和ζc对PEMFC性能影响的差异,对比不同化学计量比下阳极和阴极GDL及CL中的平均反应气体摩尔分数。当ζa从1.5提高到3.0时,GDL和CL中的平均氢气摩尔分数分别提高41.02%和41.89%。当ζc从1.5增加到3.0时,GDL和CL中的平均氧气摩尔分数分别提高0.69%和0.89%。氢气摩尔分数的增加高于氧气摩尔分数,是由于与阴极泡沫金属流场相比,阳极的平行流场不利于氢气扩散到GDL和CL。当ζa增加时,氢气入口速度得到提高,氢气供给能力增加,GDL及CL中氢气摩尔分数明显提高;当ζc增加时,氧气入口速度虽然得到提高,但由于泡沫金属流场已显著提高了GDL及CL中氧气摩尔分数,使得进气速度的提升对氧气传输影响较弱。

3 结论

本文作者建立了三维PEMFC模型,通过改变阴极流场结构,研究泡沫金属、平行、波浪形及蛇形流场对燃料电池传质及输出性能的影响。

研究结果表明,当工作电压为0.25 V时,以泡沫金属为阴极流场的PEMFC的电流密度,比平行、波浪形和蛇形流场分别提高5.71%、5.31%和40.74%。增大阳极氢气摩尔分数,能进一步提高燃料电池的输出性能。阳极化学计量比从1.5提高到3.0时,GDL和CL中的平均氢摩尔分数分别提高41.02%和41.89%。