質(zhì)子交換膜燃料電池流道尺寸對(duì)電池性能的影響

摘 要：采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent中的質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC模塊，對(duì)流道深度進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化。建立質(zhì)子交換膜燃料電池單電池模型，研究不同流道深度對(duì)燃料電池性能的影響。仿真結(jié)果表明，直道型流場(chǎng)的深度越小，電池性能越好，但是過(guò)小的流道深度會(huì)造成壓力損失變大。綜合考慮，流道深度取值為0.6mm時(shí)，電池輸出性能較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；Fluent；流道

中圖分類(lèi)號(hào)：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）01-0141-02

Effect of Flow Path Size of Proton Exchange Membrane

Fuel Cell on Battery Performance

CHEN Lei GUO Pengyan ZHANG Ruizhu YAN Dakao

（College of Mechanical， North China University of Water Resources and Electrical Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： A numerical simulation optimization of flow channel depth was carried out by using the proton exchange membrane fuel cell module in CFD software. A single battery model of proton exchange membrane fuel cell was established to study the effect of different flow depth on fuel cell performance. The simulation results showed that the straight flow depth was smaller， the battery performance was better， but too small of the flow depth could cause the increase of pressure loss. In comprehensive consideration， when the channel depth is 0.6mm， the battery output performance is better.

Keywords： proton exchange membrane fuel cell；Fluent；flow channel

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種清潔能源裝置，由于其發(fā)電原理不依賴于氫氧燃燒，所以具有不受卡諾循環(huán)限制的特點(diǎn)，有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。構(gòu)成電堆的單電池主要由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜構(gòu)成，陽(yáng)極通入氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極通入空氣發(fā)生還原反應(yīng)，主要副產(chǎn)物是水，具有無(wú)污染、低噪聲、高效率、高啟動(dòng)速度等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)能源裝置的有力競(jìng)爭(zhēng)者[1]。目前，燃料電池的反應(yīng)機(jī)理、影響燃料電池輸出的參數(shù)等一些關(guān)鍵參數(shù)仍處于研究之中。本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行建模仿真，研究流場(chǎng)尺寸對(duì)燃料電池輸出性能的影響，對(duì)比得出較優(yōu)的尺寸參數(shù)。

1 Fluent建模

燃料電池Fluent流道模型的結(jié)構(gòu)尺寸和網(wǎng)格劃分如表1所示。

燃料電池Fluent流道模型如圖1所示。

1.2 邊界條件和物性參數(shù)

操作溫度設(shè)置為80℃；陰極過(guò)量系數(shù)為2，陽(yáng)極過(guò)量系數(shù)為1.5；陰極進(jìn)氣口壓力為20kPa，陽(yáng)極進(jìn)氣口壓力為10kPa；水的飽和指數(shù)為2。

在計(jì)算之前，需要作出如下假設(shè)：①反應(yīng)氣體為理想氣體，并且不可壓縮；②陰、陽(yáng)極只考慮擴(kuò)散，不考慮氣體對(duì)流；③氣體流道進(jìn)出口沒(méi)有負(fù)壓；④設(shè)定電池進(jìn)出口溫度不變，不考慮溫度的影響；⑤電池所用材料的熱導(dǎo)率是常數(shù)。

1.3 仿真方案

在上述幾何模型的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，依次改變流道的深度為0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm。仿真模擬得出流道深度對(duì)燃料電池性能的影響，比較得出較優(yōu)的流道深度。

2 模擬分析結(jié)果

根據(jù)Fluent后處理得出的結(jié)果，可以得到圖2。由圖2可知，在保持燃料電池模型其他參數(shù)不變的情況下，隨著流道深度的逐漸減小，電池的性能不斷提高。這是由于保持進(jìn)氣流量不變，改變流道深度，便改變了截面積的大小，因此會(huì)導(dǎo)致流道內(nèi)部氣體流速的增加。根據(jù)達(dá)西定理可知擴(kuò)散層內(nèi)的流速與壓差呈反比關(guān)系。所以，壓差增大導(dǎo)致擴(kuò)散層和催化層的氣體質(zhì)量增加，反應(yīng)氣體的濃度增加。所以，隨著流道深度的減小，電池性能不斷提高。

由圖3可知，在流道深度過(guò)小時(shí)，陰極流道的壓力損失變大，不利于靠近出口處的氣體向擴(kuò)散層和催化層擴(kuò)散。同時(shí)，由于壓力損失變大，也不利于燃料電池反應(yīng)生成的水蒸氣的排出，容易造成水淹現(xiàn)象而影響燃料電池的性能。

圖4為沿流道方向的陰極流道中心正下方催化層與擴(kuò)散層交界面的氧氣的量濃度分布，陽(yáng)極流道岸中心正下方催化層與擴(kuò)散層交界面的氫氣的量濃度分布與圖4相似。可以看出隨著流道深度的減小，催化層和擴(kuò)散層交界面上氣體的量濃度逐漸增加。

綜合考慮流道深度對(duì)壓力損失、氣體的量濃度的影響，當(dāng)深度取值為0.6mm時(shí)，輸出性能較優(yōu)。

3 結(jié)論

利用Fluent軟件對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的流道尺寸進(jìn)行了仿真模擬，研究流道深度對(duì)燃料電池性能的影響，得到以下結(jié)論：質(zhì)子交換膜燃料電池的性能和流道的深度有關(guān)，隨著流道深度的逐漸減小，電池的性能逐漸變好，但并不是流道深度越小越好。當(dāng)流道深度過(guò)小時(shí)，會(huì)造成流道壓力損失過(guò)大，影響氣體向擴(kuò)散層和催化層擴(kuò)散，不利于燃料電池性能的提高。質(zhì)子交換膜燃料電池的流道深度在0.6mm時(shí)，電池的綜合性能較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳懋亮，曹壽峰，顧竹筠.流道結(jié)構(gòu)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池工作性能的影響[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（6）：532-536，540.