趙富強(qiáng)，張彥雷,2，董洪泉，丁小鳳，閆永臣

(1.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西太原030024；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊261069；3.大同新研氫能源科技有限公司，山西大同037399)

流場(chǎng)設(shè)計(jì)是針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)極板流場(chǎng)開(kāi)孔率、幾何形狀、幾何尺寸等方面的研究，是雙極板設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容[1]。開(kāi)孔率指流場(chǎng)內(nèi)流道面積占流道與脊背面積之和的比例[2]，是PEMFC 性能優(yōu)化的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，是影響PEMFC 的傳質(zhì)、流場(chǎng)排水性和電化學(xué)反應(yīng)性能的關(guān)鍵因素。在新極板構(gòu)型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，針對(duì)極板開(kāi)孔率的研究是不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

現(xiàn)有針對(duì)開(kāi)孔率的研究主要集中在探究不同流道和脊背占比對(duì)等截面流道性能的影響。COOPER 等[3]研究了流道和脊部寬度對(duì)PEMFC 性能的影響，研究表明在平行流場(chǎng)中，可以通過(guò)減小流道和脊背的寬度來(lái)提升流場(chǎng)性能。張海峰等[1]研究了幾何尺寸和開(kāi)孔率對(duì)平行流場(chǎng)性能的影響，揭示了在采用空氣作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)，開(kāi)孔率越大電池性能越好；在相同開(kāi)孔率的情況下，流道尺寸越小電池性能越好的規(guī)律。JEON[4]探究了交指流場(chǎng)流道和脊背寬度對(duì)水遷移的影響，結(jié)果表明較高的流道和脊背寬度能避免氣體擴(kuò)散層脊背下積水，但是可能導(dǎo)致極板傳質(zhì)性能受到限制。唐嘉鈺等[5]通過(guò)對(duì)不同脊槽比、寬度的單通道電池進(jìn)行研究，分析了陰極極板構(gòu)型對(duì)空冷電堆傳質(zhì)和傳導(dǎo)特性的影響，得到空冷電堆脊槽比為3 時(shí)輸出電壓性能最佳的結(jié)論。吳孟飛等[6]研究了流道與脊背寬度對(duì)蛇形流場(chǎng)性能的影響，得出相對(duì)最優(yōu)流道寬度與脊背寬度為1 mm 的結(jié)論。上述研究表明：開(kāi)孔率對(duì)平行、蛇形、交指等等截面流道的性能均有重要影響，不同開(kāi)孔率對(duì)流道的電化學(xué)、水管理等性能影響效果并不相同，需從不同角度來(lái)選擇合適的流場(chǎng)開(kāi)孔率。

針對(duì)變截面流道開(kāi)孔率的研究相對(duì)較少，WANG 等[7]提出了一種不同寬度的錐形流場(chǎng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真研究，證明流道寬度逐漸減小的錐形流場(chǎng)可以顯著提高流道除水能力，提升電池在高電流密度下的性能。HU 等[8]研究了變截面寬度對(duì)甲醇燃料電池蛇形流場(chǎng)性能影響，研究表明非均勻收斂設(shè)計(jì)改善了甲醇濃度和電流密度的均勻性，電池發(fā)電性能提升18.4%。然而，不同流道截面變化形式對(duì)電池產(chǎn)生的影響規(guī)律并不相同，需根據(jù)流道實(shí)際結(jié)構(gòu)來(lái)分析變截面對(duì)電池性能影響規(guī)律。

臺(tái)階形流道是一種通過(guò)在流道中設(shè)置臺(tái)階面使流道面積發(fā)生變化的局部變截面流道[9]，為了研究這種變截面流道，給定氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜厚度條件時(shí)，開(kāi)展不同開(kāi)孔率下電池極板性能的研究，通過(guò)分析陰極氧氣濃度分布、陰極水濃度分布和極化曲線的變化情況，探討臺(tái)階形流道開(kāi)孔率對(duì)流場(chǎng)內(nèi)傳質(zhì)、排水性和電化學(xué)性能方面的影響。

1 臺(tái)階形流道模型

1.1 幾何模型

臺(tái)階形流道模型如圖1所示，當(dāng)陽(yáng)極流道中的氫氣經(jīng)由流道深度較高的區(qū)域流向流道深度較低區(qū)域時(shí)，流道中氫氣壓力減小，流速增大，有利于流道內(nèi)增濕氣體的擴(kuò)散；相似的，當(dāng)陰極流道中的氧氣經(jīng)由流道深度較高的區(qū)域流向流道深度較低區(qū)域時(shí)，流道中氧氣壓力減小，流速增大，有利流道后段生成水的排出。臺(tái)階間氣體擾流特性增加，促使反應(yīng)氣體向氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散，到達(dá)催化層，提高反應(yīng)氣體的利用率[9]。

圖1 臺(tái)階形流道模型示意圖

現(xiàn)階段Toray、臺(tái)灣碳能等企業(yè)制造的氣體擴(kuò)散層厚度為0.09～0.38 mm[10-11,15]，豐田等企業(yè)催化層厚度為0.002～0.018 mm[12,15]，Gore、科慕等企業(yè)質(zhì)子交換膜厚度為0.008～0.254 mm[13-15]。結(jié)合實(shí)際厚度并參考文獻(xiàn)[16-19]，設(shè)定模型中陰極和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層厚度為0.38 mm，陰極和陽(yáng)極催化層厚度為0.05 mm，質(zhì)子交換膜厚度為0.1 mm，上述參數(shù)也可依據(jù)實(shí)驗(yàn)的各參數(shù)設(shè)定，以提高燃料電池性能。其他模型結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸

1.2 模型假設(shè)

仿真過(guò)程設(shè)定理想氣體以層流狀態(tài)流入穩(wěn)態(tài)恒溫燃料電池，陰、陽(yáng)極的反應(yīng)氣體不穿透質(zhì)子交換膜；多孔介質(zhì)為各向同性且為勻質(zhì)狀態(tài)；陽(yáng)極只有氫氣和水，陰極只有氧氣、氮?dú)夂退磻?yīng)產(chǎn)物為氣態(tài)水。

1.3 控制方程

燃料電池流體力學(xué)仿真基本方程如下。

(1)質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；μ為速度向量；ε為多孔介質(zhì)孔隙率。

(2)動(dòng)量守恒方程：

式中：α表示氣體組分，分別為O2、H2、N2和H2O；C為質(zhì)量分?jǐn)?shù)；等式右半部分為相內(nèi)擴(kuò)散項(xiàng)。

(3)能量守恒方程：

對(duì)于氣體擴(kuò)散層有：

對(duì)于質(zhì)子交換膜有：

式中：λeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)；cp為定壓比熱容，J/(kg·K);σe為電子電阻，Ω；κp為質(zhì)子電阻，Ω；T為溫度，K。

(4)組分守恒方程：

式中：γα為多相修正系數(shù)；D為擴(kuò)散系數(shù)。

2 仿真

考慮到流場(chǎng)的周期重復(fù)性，為減小計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間，選取單流道為計(jì)算區(qū)域[5]，氣體流動(dòng)方向?yàn)橛蚁轮磷笊?，?jì)算區(qū)域如圖2所示。仿真過(guò)程中，通過(guò)固定流道寬度為1 mm，改變脊背寬度w2來(lái)探究不同開(kāi)孔率下電池性能，仿真方案如表2。

圖2 計(jì)算區(qū)域

表2 仿真方案

設(shè)定氣體入口邊界處，混合氣體中氧氣和水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為22.8%、2.3%，反應(yīng)氣體相對(duì)濕度設(shè)定為100%；陰極和陽(yáng)極進(jìn)氣速度分別為0.446 和0.185 m/s，氫氣化學(xué)計(jì)量比為1.3，氧氣化學(xué)計(jì)量比為2[20]。在氣體出口邊界，以大氣壓力為參考值，給定出口壓力。電池陰極側(cè)極板表面電勢(shì)為工作電壓；電池陽(yáng)極側(cè)下表面電勢(shì)設(shè)為0 V。

3 結(jié)果與討論

3.1 氧氣濃度分布

5 種方案的臺(tái)階形流道氧氣濃度變化如圖3所示。其中電池電壓為0.4 V，圖中取值面位置為陰極催化層中間面，曲線取值位置為陰極流道中心線。

圖3 不同開(kāi)孔率下陰極催化層氧氣濃度分布

由圖3 可知，在流道寬度為1 mm 的前提下，脊背寬為0.6 mm 的流道氧氣含量最多，其氧氣濃度差值為4.37 mol/m3。其余流道氧氣含量隨開(kāi)孔率的增加而遞減，其氧氣濃度差值分別為4.66、4.78、4.721 和4.647 mol/m3。氧氣濃度差的大小可以反映催化層中氧氣分布的均勻性，濃度差越小，流道傳質(zhì)能力越強(qiáng)，可以推遲濃差極化的出現(xiàn)，進(jìn)而提升PEMFC 性能。方案(a)的氧氣含量最高，氧氣分布最為均勻，方案(b)次之，其他方案在氧氣含量和氧氣濃度差方面表現(xiàn)相對(duì)較差。

3.2 陰極水濃度分布

相同條件下，5 種方案的臺(tái)階形流道陰極水濃度變化如圖4所示。圖中，單元電池電壓取值為0.4 V，流道陰極水濃度切面過(guò)陰極流道中心線。

圖4 表明，方案(a)水濃度差值最小，為8 mol/m3；其次是方案(b)，水濃度差為8.55 mol/m3；方案(e)在5 組方案中水濃度差值最大，為9.45 mol/m3。陰極流道內(nèi)水濃度差隨著開(kāi)孔率的增加而增加，而流道內(nèi)水濃度越高，流道內(nèi)的水越容易液化堆積，引起“水淹”現(xiàn)象的出現(xiàn)。由圖中水濃度差值可知，低開(kāi)孔率的流道排水性能更好，不易出現(xiàn)“水淹”現(xiàn)象。

圖4 不同開(kāi)孔率下陰極流道水濃度分布

3.3 極化曲線

相同條件時(shí)，5 種臺(tái)階形流道的極化曲線如圖5所示。PEMFC 輸出電流越多，電池的電壓輸出就會(huì)相應(yīng)地降低，從而限制PEMFC 可釋放的總功率。由電壓-電流曲線和功率密度曲線組合圖可知，對(duì)于功率密度而言，5 種方案的流道均在0.4 V 左右的電壓下達(dá)到峰值。方案(a)的功率密度峰值為0.358 W/cm2，方案(b)的功率密度峰值約為0.347 W/cm2，方案(e)的功率密度峰值約為0.283 W/cm2。方案(a)相較方案(e)功率密度峰值提升26.5%。

圖5 電壓-電流（V-I）、功率密度（P-I）曲線組合圖

對(duì)于電流密度而言，單位電壓下降幅度下，方案(a)流道電流密度增加最快，方案(b)流道次之，方案(e)流道增加最慢。方案(a)在電池電壓為0.4 V 時(shí)，電流密度約為0.89 A/cm2左右，方案(b)流道在0.4 V 時(shí)的電流密度為0.86 A/cm2左右，而方案(e)流道在0.4 V 時(shí)的電流密度為0.76 A/cm2左右；方案(a)相較方案(e)電流密度提升17.1%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)一種臺(tái)階形流道，通過(guò)構(gòu)建多物理場(chǎng)仿真模型，研究5 種不同開(kāi)孔率對(duì)臺(tái)階形流道性能影響規(guī)律。

(1)極板構(gòu)型可直接影響臺(tái)階形流道的氧氣濃度和氧氣濃度差，開(kāi)孔率為62.5%的臺(tái)階流道氧氣濃度更高，氧氣濃度差更小。開(kāi)孔率在62.5%～40%時(shí)，開(kāi)孔率越高，流道內(nèi)水濃度越低，電池排水性能越好，水分布也會(huì)更均勻。

(2)5 種開(kāi)孔率的流道均在0.4 V 左右的電壓下達(dá)到功率密度峰值，相同電壓下降幅度下，開(kāi)孔率較高的流道電流密度增加更快；相同流道寬度的條件下，開(kāi)孔率為62.5%的流道相較于開(kāi)孔率為40%的流道功率密度峰值提升26.5%，電流密度提升17.1%。