操作參數耦合對質子交換膜燃料電池性能影響的模擬研究

蒙先攀, 李 超, 雷 涵, 廖晉楊, 陸福祿, 潘明章,2*

(1.廣西大學機械工程學院，南寧 530004； 2.廣西電化學能源材料重點實驗室，南寧 530004)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)突破了卡諾循環的限制，具有能量轉換率高、運行溫度低、可靠性高、啟動快以及排放物零污染等優點，被認為是最有潛力取代傳統內燃機的新型綠色能源轉換裝置之一[1-2]。所以對燃料電池性能的優化和提高是推動燃料電池發展的重要工作之一，運行中的燃料電池性能主要受到各操作參數的控制。合理的工況可以有效地對電池內水、熱進行管理[3-4]，并且可以根據不同負載的需求和環境的變化對其操作參數進行精確的調整，以實現最佳的電池輸出性能[5]。因此，研究運行中燃料電池各操作參數的影響對提高燃料電池性能具有重大意義。

目前，研究人員開展了大量工作研究燃料電池性能的影響因素[6-10]，研究思路主要圍繞著與燃料電池組件自身設計有關的結構參數和各類運行工況有關的操作參數開展相關工作。在結構設計方面，Freire等[11]研究不同橫截面形狀(矩形和梯形)的流道及操作參數對PEMFC性能的影響，發現當反應物的加濕溫度高于電池溫度時，梯形截面形狀的流道能提高電池的性能，而矩形橫截面形狀的流道對PEMFC性能的影響小到可以忽略不計。Nanadegani等[12]通過在氣體擴散層和催化劑層之間增加微孔層來提高燃料電池性能，研究發現增加的微孔層能夠通過降低液態水的飽和度來提高燃料電池性能。而當電池的結構設計已經確定時，對操作參數的控制則變得至關重要，是優化電池性能過程中必不可少的工作。Jang等[13]通過實驗對影響燃料電池性能的操作參數進行研究，發現隨著氣體加濕溫度、電池溫度、組裝的扭矩以及氣體流量的提升，電池的性能隨之提升。Chippar等[14]研究了夾緊力的變化程度對燃料電池性能的影響，發現氣體擴散層在肋邊附近的應力最大且氣體擴散層的壓縮組合效應會引起反應物和電流密度的分布不均勻，導致電池性能下降。Srinivasan等[15]提出了一種快速且比較精確的濕度控制方法，通過混合干燥和加濕氣流來跟蹤預定義相對濕度的設置點，以優化提高燃料電池的性能。Donggun等[16]研究了操作壓力對PEMFC性能的影響，發現陰極側受壓時的性能優于陽極側受壓時的性能，陰極側受壓增加了空氣通過水的穿透，降低了濃度過電位。且在缺水條件下對陰極側加壓，膜的飽和度會隨著壓力的增大而逐漸增大，而在富水條件下，這種現象逐漸減弱，性能差異逐漸縮小。

各操作參數對電池性能的影響均在不同程度上得到了討論；但大部分研究往往限定了部分操作參數，僅討論了某一特定參數的變化對燃料電池性能的影響情況，而針對多操作參數耦合對燃料電池性能的影響研究相對較少，特別是在分析各操作參數耦合時考慮散熱率變化的研究較少。本文以不同操作參數(工作電壓、操作壓力、溫度、自然對流和強制對流的散熱率)作為變化運行參數，采用ANSYS/FLUENT對燃料電池進行模擬計算，揭示多操作參數耦合的內部變化機制和溫度的變化規律，并研究了其對燃料電池性能的影響情況。

1 模型描述

研究通過ANSYS/design modeler建立一個包括多平行的蛇形陽極流道、多平行的陰極直流道、氣體擴散層、催化層以及質子交換膜的電池單體幾何模型(圖1)。該模型的活化面積為31.2 cm2，采用Nafion117質子交換膜和40%的Pt/Vulcan催化層(具體建模參數如表1)。通過ANSYS/mesh對該模型進行六面體網格劃分，生成的網格總數為130×104，并使用ANSYS/FLUENT 19.0的PEMFC模塊進行模擬仿真。

圖1 燃料電池的三維模型Fig.1 3D model of a fuel cell

表1 幾何尺寸參數Table 1 Geometric dimension parameters

1.1 模型假設

為了便于建立數學模型，需要對模型做出如下假設：①不考慮重力對其產生的影響；②穩態運行工況；③非等溫條件運行；④氣體擴散層、催化層和膜各處化學性質均勻且各向同性；⑤模型中運輸的組分以氣態形式存在；⑥反應物為單一的流動方向，不會逆流穿過膜電極；⑦反應在陰極催化層發生。

1.2 數學模型的建立

表2 控制方程Table 2 Governing equations

1.3 數值方法及邊界條件

研究采用FLUENT軟件模擬，使用壓力求解器通過多重網格法和有限體積法中的 “SIMPLE” 算法對控制方程進行求解。軟件中采用的物性參數具體如表3所示。

模型的邊界條件通過FLUENT定義，質量流量由進口流量定義，壓力由出口壓力定義，壁面定義為不同的散熱率，部件之間的面定義為內部面。質量流量根據溫度、飽和蒸汽壓力化學計量數等條件來計算[17]。具體運行參數如表4所示。

表3 物性參數Table 3 Physical parameters

表4 運行條件Table 4 Operating conditions

2 模擬結果與分析

2.1 模型驗證

為驗證本文所建立模型的準確性，將仿真結果和Valencia等[18]所做的實驗結果進行了比較。Valencia等使用的是一個有效面積為31.2 cm2的燃料電池，其中膜電極由Nafion117和40%的Pt/Vulcan組成，氣體擴散層由碳纖維布構成。在圖2中可以看到仿真結果與實驗結果變化規律基本一致，但仿真值略高于實驗值，且仿真值在高電流密度時更加接近實驗值。產生差異的原因是模擬仿真忽略了接觸電阻的同時使用了恒定散熱率。

圖2 模擬結果與文獻[18]極化曲線比較Fig.2 Comparison of polarization curves between simulation results and experimental results in Ref.[18]

2.2 影響PEMFC性能的操作參數分析

圖3(a)是進氣溫度為300 K時，不同操作壓力及電壓條件下，電流密度隨散熱率的變化情況。可以看出，電流密度在0～0.65 A/m2之間變化。在各種工況(操作壓力和電壓)下，電流密度均隨散熱率的增加而增加。當進氣溫度和操作壓力不變時，電流密度隨電壓的增加而下降，當電壓較大(0.9 V)時，可以觀察到3條不同大氣壓的電流密度變化幾乎重合在一起，說明此時散熱率對電流密度的影響較小，可以忽略不計。當進氣溫度和電壓不變時，電流密度隨工作電壓的增加而增加。從圖3(a)中還可以觀察到當散熱率達到40 W/(m2·K)時，各工況電流密度的變化趨勢發生了變化，這可能是由于散熱率過大對電池內的溫度產生了較大的影響而造成的。

圖3(b)是進氣溫度為330 K時，不同操作壓力及電壓條件下，電流密度隨散熱率的變化情況。可以看出，電流密度的變化趨勢與圖3(a)的300 K時的變化趨勢相似，其中電流密度范圍較300 K時有所增加。在電壓為0.5 V、操作壓力為303.975 kPa時電流密度達到最大，最大值為0.81 A/m2，說明進氣溫度的增加在一定程度上可以增加電流密度。同時結合圖3(a)，從圖3(b)中散熱率40 W/(m2·K)后的變化可以更加清晰地看出，0.5 V的3條操作壓力曲線斜率變大，電流密度增長速度增加，而0.7 V的3條操作壓力曲線的電流密度開始下降，說明不但電壓的增加會降低電流密度，還說明在散熱率增加到一定值后[40 W/(m2·K)]電壓的影響開始占據主導地位。

圖3 不同操作壓力及電壓情況下電流密度隨散熱率的變化Fig.3 Changes of current density with heat transfer rate under different operating pressures and voltages

2.3 操作參數對溫度分布的影響

通過質子交換膜云圖進一步揭示關于壓強及散熱率對溫度分布的影響。從圖4可以看出，溫度在膜上的分布都有著相似的規律，但溫度范圍卻隨著操作壓力和散熱系數的變化而變化。隨著操作壓力的升高，膜上各區域溫度也隨之升高，這主要是因為操作壓力的增加提高了電池性能，從而增加了產熱，才使得膜各區域溫度均有所增加。同時還可以觀察到隨著散熱率的增大，最高溫度從氣體出口向膜的中心區域移動，這主要是因為隨著散熱率的增加，燃料電池與環境的換熱量增大，膜的邊緣更易得到降溫，導致膜內的最高溫度點逐漸向膜的中心區域移動。

圖5是進氣溫度為330 K時、工作電壓0.7 V時，散熱率對質子交換膜溫度影響的分布。從圖5中可以看出，330 K時的溫度分布規律與300 K時相似，特別是散熱率在5 W/(m2·K)時尤為明顯。但與圖4不同的是，在圖5中氣體入口的溫度總是低于出口溫度，而當進氣溫度升高到330 K后，隨著散熱率的增加，氫氣入口的溫度相對于出口溫度逐漸增大并超過出口溫度，在散熱率為60 W/(m2·K)時，可以從云圖中看出氫氣入口的溫度已經明顯高于出口溫度。這種現象的出現是由于在低散熱率時電池體溫度高于入口氣體的溫度，進氣對電池體起到了降溫作用，所以氫氣入口處溫度較低。而當散熱率較高[60 W/(m2·K)]時，由于較大的散熱性導致電池體溫度降低，此時電池體溫度低于330 K的入口氣體溫度，才使得氫氣入口溫度大于出口溫度的現象出現。

為進一步反映質子交換膜云圖上溫度的分布情況，對質子交換膜上不同操作參數耦合的平均水含量進行了定量分析，圖6(a)進氣溫度為300 K時，質子交換膜溫度隨散熱率的變化。從圖6(a)中可以很明顯地看出，散熱率對溫度的影響情況，散熱率越大，各個工況的溫度均越低。當散熱率不同時，最高溫度均出現在操作壓力303.975 kPa、電壓0.5 V的操作參數條件下，當散熱率為5、40、60 W/(m2·K)時，最高溫度分別為369、349、350 K。從圖6(a)中還可以看出在之前圖3中0.9 V電壓時重合在一起的三個操作壓力的電流密度值在不同散熱率情況下均為300 K左右。對于電壓為0.7 V和0.5 V的工況，均是操作壓力越大溫度越高，且在電壓0.5 V、操作壓力303.975 kPa、散熱率5 W/(m2·K)時出現最高溫度，其值為368.72 K。

圖6(b)為進氣溫度為330 K時，質子交換膜溫度隨散熱率的變化。可以看出，其分布規律與圖6(a)類似，當散熱率不同時，最高溫度依舊出現在操作壓力303.975 kPa、電壓0.5 V的操作參數條件下，當散熱率為5、40、60 W/(m2·K)時，最高溫度分別為400、363、364 K。此外，在圖6(b)中可以觀察到不同散熱率時出現的最高溫度與圖6(a)一樣均在散熱率60 W/(m2·K)時出現了少量的回升，這可能是由于隨著散熱率的增加，電池體溫度下降，電池內相對濕度增加，使得電池性能增加，導致產熱大于散熱的結果，這一點也可以通過操作壓力303.975 kPa、電壓0.5 V的折線在散熱率40 W/(m2·K)后電流密度又再次上升(圖3)而得到佐證。

圖4 進氣溫度為300 K、工作電壓0.7 V時，散熱率對質子交換膜溫度影響的分布Fig.4 Effect distribution of heat transfer rate on proton exchange membrane temperature at 300 K inlet temperature and 0.7 V working voltage

圖5 進氣溫度為330 K時、工作電壓0.7 V時，散熱率對質子交換膜溫度影響的分布Fig.5 Effect distribution of heat transfer rate on proton exchange membrane temperature at 330 K inlet temperature and 0.7 V working voltage

2.4 操作參數對電流密度分布的影響

電流密度是反應燃料電池性能的一個重要參數，電流密度的分布會受到各操作參數的影響。圖7為進氣溫度300 K、工作電壓0.7 V時，不同散熱率和操作壓力對質子交換膜電流密度分布的影響。

圖6 質子交換膜溫度隨散熱率的變化Fig.6 Changes of proton exchange membrane temperature with heat transfer rate

圖7 進氣溫度為300 K、工作電壓0.7 V時，散熱率對質子交換膜電流密度分布的影響Fig.7 Effect of heat transfer rate on the current density distribution of proton exchange membrane when the inlet temperature is 300 K and the working voltage is 0.7 V

圖8 進氣溫度為330 K、工作電壓0.7 V時，散熱率對質子交換膜電流密度分布的影響Fig.8 Effect of heat transfer rate on current density distribution of proton exchange membrane when inlet temperature is 330 K and working voltage is 0.7 V

從圖7可以看出，進口方向的電流密度比較低，高電流密度集中在氧氣和氫氣出口處，這是由于300 K的進氣溫度較低，進入電池的氣體隨著溫度的升高反應逐漸增強，從而導致電流密度的提高。還發現操作壓力升高，電流密度升高，這是由于操作壓力的升高增加了電池內各質量傳輸，加快了反應速度從而提升了電池性能。

圖8為進氣溫度330 K、工作電壓0.7 V時，不同散熱率和操作壓力對質子交換膜電流密度分布的影響。可以看出其與圖7有著相似的分布規律，不同的是氫氣進口處的電流密度開始增大，在散熱率為60 W/(m2·K)時，氫氣入口處電流密度增大的更加明顯，并且高電流主要集中在質子交換膜的中間。

3 結論

通過模擬研究了各操作參數耦合對燃料電池性能的影響，特別是考慮到散熱率變化對性能的影響。研究發現操作壓力、進氣溫度和散熱率的增加均能提高燃料電池的電流密度。而工作電壓的增加會顯著降低燃料電池的性能，且接近開路電壓時，其他操作參數的變化對電流密度的輸出影響很小，工作電壓對電流密度的影響比其他操作參數的影響更明顯，占據主導地位。操作壓力的提高增強了電池內各質量傳輸，對燃料電池的性能起到增強作用。進氣溫度的影響效果取決于此時電池體溫度和最佳工作溫度的關系，若電池體溫度高于最佳工作溫度，進氣起降溫效果時會增強燃料電池性能，若電池體溫度低于最佳工作溫度，則進氣起升溫效果時會增強燃料電池性能。散熱率的增大可以加速燃料電池與環境的換熱，從而增強燃料電池的性能。