質子交換膜燃料電池雙極板流場模型實驗研究

摘要：針對質子交換模燃料電池，在不同供氣量下，對不同結構的進氣腔、不同流道截面形狀的直行流道雙極板進行模型實驗，結果表明：在相等過流斷面情況下，U形截面槽道壓力降小于矩形截面槽道，流場特性優于矩形橫截面；實驗結果與相同條件下的數值模擬結果吻合，數值模擬結果還顯示U形橫截面流道中氣體擴散到擴散層的質量要遠遠大于矩形橫截面流道，流道中氣體利用率高。

關鍵詞：質子交換模燃料電池；雙極板；槽道截面形狀；壓力降；模型試驗

中圖分類號：TN 0351.2文獻標志碼：A文章編號：1671-7953(2009)03-0085-03

質子交換模燃料電池(PEMFC)是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效(50-70％)、環境友好地轉化為電能的發電裝置。雙極板是燃料電池關鍵部件之一，它負責分配FC所需燃料和氧化劑，其流場特性直接影響燃料電池的性能。燃料電池中雙極板的流道設計不合理不但會影響電池的發電性能，而且會影響燃料電池運行的穩定可靠性及壽命。理想的燃料電池雙極板流場設計應該使整個導流場中的燃料氫與空氣中的氧高效、均勻的傳向質子交換模，而且又可以將電極反應生成的產物水及時帶出，否則，將導致整個雙極板的電流密度、功率密度和發熱量分布的不均勻，可能造成局部過熱、失水等等；而有的地方又因為反應生成的水不能及時排出，使反應劑難于接近催化劑，即出現“水淹現象”。對電池來講，氣體分布的均勻與否將直接影響到電池的運行性能，雙極板槽道的設計將直接影響到電池的整體性能。單從氣體分配的角度看，槽道中的流動阻力越小越好 。

1實驗模型及測試系統

目前質子交換膜燃料電池主要采用外進氣的方式給電池堆供氣，氣體利用率是衡量燃料電池性能一個重要參數。由于燃料電池堆的外形尺度在實際應用中有相應要求，因而單片雙極板的厚度，或者說雙極板的槽道深度受到限制。為了便于分析，本實驗模型將不同形狀的槽道設計成過流斷面面積相等，即不改變槽道深度，固定為0.6mm，橫截面積取0.565mm2，槽道長度取360mm。

實驗模型兩個：矩形截面槽道和U形截面槽道直行流道雙極板，截面形狀和尺寸如圖1和2所示。氣腔室形式以及壓力測量點的位置布置見圖2。測試系統示意圖見圖3：空氣經微型壓縮機和減壓閥，在經過流量計向進氣腔供氣再進入模型雙極板中截面形狀和大小相同的三條流道，然后經槽道出口排入大氣。微壓傳感器測量壓力差，經計算機采集系統采集壓力輸出結果。 

采用Honeywell公司生產的DC001NDR5微壓傳感器，其補償溫度為0-50℃，超低壓檢測達“ 1”水柱。

2實驗結果分析

試驗針對不同橫截面形狀槽道雙極板，不同形狀進氣腔，相同供氣量、相同槽道深度的情況下，試驗得到不同位置的壓力分布。

2.1流道截面形狀對壓力降的影響

在相同供氣量、相同進氣腔的情況下，比較不同橫截面的壓力降。通過微型壓力傳感器的測量，計算機采集系統的處理，可分別得到U形橫截面形狀和矩形橫截面形狀的壓力分布，比較兩種橫截面的壓力分布得到U形橫截面的槽道壓力降小于矩形橫截面的壓力降。把兩者的壓降繪制在一起如圖4所示。

另外，數值模擬除了分析兩種橫截截面壓力降外，還模擬出了兩種橫截面流道在通過流道流量相同的情況下，擴散到擴散層的質量流量，其中U形橫截面的為0.37g/s·m₂，矩形橫截面為0.076g/s·m₂。因此，不論從壓力分布還是從擴散情況來看，U形橫截面流道都優于矩形橫截面流道。

2.2進氣腔形狀對壓力降的影響

通過對同一模型(即橫截面形狀相同)的試驗數據分析，可發現在相同供氣量的情況下，進氣腔形狀對雙極板流道的壓降也具有重要影響。如圖6是把兩種不同進氣腔邊沿流道(流道1、3)和中部流道(流道2)壓降繪制在一起情況。

由圖6，可看出的邊沿流道的壓降大于矩形進氣腔，而中部流道卻小于矩形進氣腔。故要喇叭形進氣腔比矩形進氣腔利于雙極板中各流道供氣的均勻分布，使雙極板能夠較均勻的得到反應氣體，不至于邊沿流道得不到足量的反應氣體的情況發生。

STHZ2.3槽道相對位置對壓力降的影響

通過對雙極板不同位置流道的試驗數據的分析，可得到不論供氣量、橫截面和進氣腔是否相同，雙極板中各流道的沿程都不同。圖7為喇叭進氣腔U形橫截面形狀的三條流道壓降分布情況，圖8為矩形進氣腔矩形橫截面的三條流道壓降分布情況。

3結論

本文通過對燃料電池雙極板U形橫截面流道和矩形橫截面流道進行實驗研究和數值模擬計算得出：U形橫截面壓力降小于矩形橫截面流道，流場特性好于矩形橫截面；數值模擬結果還顯示U形橫截面流道中氣體擴散到擴散層的質量流量要遠遠大于矩形橫截面流道，流道中氣體利用率高。

參考文獻

［1］ 衣寶廉，燃料電池——原理技術應用［M］.北京：化學工業出版社，2003(7).

［2］ 俞紅梅，衣寶廉等，燃料電池組的氣體分配管道［J］.電源技術，2001，25(6) 882-885.