韓建 崔龍 蘇中輝 曲英雪 李利

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發院，長春 130011）

主題詞：燃料電池 流道尺寸 電流密度 壓降

1 前言

燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的裝置[1]，作為可持續能源，能夠滿足日益增長的汽車工業對能源的需求[2-3]。燃料電池電堆的關鍵部件包括膜電極組件、雙極板、集流體、端板等，而雙極板占據電堆重量的60%，成本的30%。大量的研究[4]表明，雙極板對燃料電池的性能有著重要的影響。雙極板能夠傳導電子，分配反應所需氣體，帶走反應過程中產生的水和熱量。通過實驗的方法去優化雙極板流場的幾何結構是非常困難的，而通過計算機數值仿真優化則是一種快捷高效的方法。

2 燃料電池雙極板流道優化意義

燃料電池的性能在很大程度上取決于適當的流場設計。而有效的流場設計依賴于合適的流道尺寸結構。不當的流道幾何尺寸，會導致反應物分配不均，水管理能力不佳，過高的壓降，進而導致燃料電池性能失衡[5]，因此，雙極板產品定型的過程中，流道需要進行優化。

在流場的幾何尺寸設計中，流道的寬度、深度以及脊的寬度對燃料電池的性能起著重要的作用。國內外研究人員在燃料電池的流場尺寸研究方面做了大量的研究工作。T.Berning等[6]采用三維全電池模型分析了電池內部的傳遞現象和操作條件影響，假設接觸電阻分別為25 mΩ·cm2和50 mΩ·cm2，分別比較了流道寬度和脊寬度分別為0.8 mm/1.2 mm、1.0 mm/1.0 mm、1.2 mm/0.8 mm三者的電池性能，得出前者電池性能稍佳的結論。D.S.Watkins等[7]優化了單通道蛇型流場的尺寸結構，得出流道寬度為1.14～1.40 mm，脊寬度為0.89～1.40 mm，流道深度為1.02～2.04 mm時電池性能較好的結論。G.Young等[8]研究了脊和流道寬度對電池性能的影響，結果表明，在0.5～3.0 mm范圍內，脊寬度越窄電池性能越好。A.Kumar等[9]對電池陽極單通道蛇形流場尺寸作了優化，得出流道寬度為1.5 mm，脊寬度為0.5 mm以及深度為1.5 mm時陽極的氫氣利用率較高，即相同操作條件下電池性能較好。巴拉德動力公司為了能使電池在高電流密度下達到性能穩定，電堆所采用直流道流場的直流道開口寬度要小于0.75 mm，每個流道最優的開口寬度大約在0.5 mm左右，流道的半圓形橫截面半徑一般為0.25 mm，流道的深度大約是流道寬度的一半時最佳[10]。W.Ying等[11]建立了氫-空質子交換膜燃料電池的三維模型，采用商業軟件STAR-CD進行數值模擬，結果表明，陰極流道寬度為3 mm時電池性能最好。

在本文中，基于多物理場耦合計算軟件Comsol multi-physics，建立三維等溫單相流模型，對流道的寬度、脊寬度、流道深度等大量參數進行了數值仿真分析，進而篩選出最優的流道尺寸參數，為燃料電池雙極板流場設計提供依據。

3 數值仿真

3.1 幾何模型

首先對不同流道寬度和脊寬度的質子交換膜燃料電池進行數值模擬，研究不同流道寬度和脊寬度對電池性能的影響，找出相對最優流道寬度和脊寬度，所有的計算案例中流道的深度固定，均為1 mm，且每個案例中陽極和陰極具有相同的流道寬度和脊寬度；然后在此基礎上保持流道寬度和脊寬度不變，改變流道深度，研究不同流道深度的情況下電池的性能，分析得出流道的最佳深度。圖1為劃分完網格后的幾何模型，包含14 448個六面體，5 870個四邊形，848個邊單元。對于不同流道寬度、脊寬度和流道深度，網格會隨著幾何形狀的變化而自動變化。

3.2 架構模型

燃料電池工作中存在著復雜的傳熱傳質及電化學反應過程，主要數學模型為電化學模型和流體動力學模型[12]，包括有流體的流動、多孔介質中的氣體擴散、水的相變、水在質子交換膜中的傳遞以及催化層中的電化學反應等。

圖1 幾何模型

3.3 模型假設

（1）燃料電池在穩定條件下運行，并且重力的影響忽略不計；

（2）反應氣為密度不變的理想氣體、無相變且不能滲透質子交換膜；

（3）液態水為細小的霧狀，當成氣體來處理，反應生成水的體積忽略不計；

（4）根據雷諾數，流道內的氣體流動為層流；

（5）質子交換膜設為電絕緣狀態。

3.4 模型參數

數值仿真過程中所涉及的參數如表1所示。

表1 模型主要參數

4 仿真結果與討論

4.1 0.6 V時流道寬度和脊寬度對電池性能影響

圖2和圖3分別為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下，陽極與陰極的壓降情況，從測試結果可以看出當流道寬度為0.3 mm時，陽極壓降隨著脊寬度的增加而呈現逐步減小的趨勢，陰極壓降基本無變化。當流道寬度為0.5～1.5 mm時，陽極壓降隨著脊寬度的變化基本無變化，而陰極隨著脊寬度的增大，陰極壓降略微有所升高。

圖2 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陽極壓降

圖3 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陰極壓降

圖4 和圖5為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定脊寬度在不同流道深度的條件下，單電池陽極與陰極壓降情況，從圖中可以看出，陽極與陰極壓降均隨著流道寬度的增加而減小，在流道寬度為0.3～1.0 mm范圍內，流道壓降變化幅度很大，當流道寬度大于1 mm時，陰陽極壓降減小的速率趨于平緩。從圖4可以看出，隨著流道寬度的減小，脊寬度對陽極壓降的影響逐漸明顯，脊寬度減小，壓降升高。從圖5中可以看出，隨著流道寬度的增大，脊寬度對陰極壓降的影響略微顯現，脊寬度減小，壓降略微減小。

圖6為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定流道寬度，不同脊寬度的條件下，單電池的電流密度變化曲線，從圖中可以看出，當流道寬度為0.5 mm時，隨著脊寬度的增加，電流密度逐步減小。而當流道寬度為0.6～1.5 mm時，隨著流道寬度的增加，電流密度基本呈現先增大，逐步恒定，再減小的趨勢。

圖4 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陽極壓降

圖5 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陰極壓降

圖6 恒定流道寬度不同脊寬度的條件下單電池的電流密度變化曲線

圖7 為單電池在0.6 V工作電壓下，恒定脊寬度，不同流道寬度條件下，單電池電流密度變化情況，從圖中可以看出，當脊寬度為0.3～1.0 mm時，隨著流道寬度的增加，電流密度逐步減小，當脊寬度為1.2～1.5 mm時，隨著流道寬度的增加，電流密度呈現先增大后減小的趨勢。

4.2 0.4 V時流道寬度和脊寬度對電池性能影響

圖8和圖9分別為單電池在0.4 V工作電壓下，恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下，陽極以及陰極的壓降情況。從測試結果可以看出當流道寬度為0.3～0.7 mm時，陽極壓降隨著脊寬度的增加而呈現逐步減小，且流道寬度為0.3 mm時的減小速率明顯高于流道深度為0.5～0.7 mm時的速率。當流道寬度為0.9～1.5 mm時，隨著脊寬度的增加，陽極壓降基本沒變化。隨著脊寬度的增加，陰極壓降緩慢升高。且流道寬度為0.3 mm時，壓降明顯高于其它流道寬度時的壓降。

圖7 恒定脊寬度不同流道寬度條件下單電池電流密度變化情況

圖8 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陽極壓降

圖9 恒定流道寬度在不同脊寬度的條件下陰極的壓降

圖10 和圖11為單電池在0.4 V工作電壓下，恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下，單電池陽極與陰極壓降情況。從圖中可以看出，隨著流道寬度的增加，陰極和陽極壓降逐步降低，且當流道寬度大于1 mm時，陰陽極壓降降低幅度逐步趨于平緩。在流道寬度小于1 mm時，脊寬度越小，陽極壓降越大。而陰極壓降情況與之相反，脊寬度越大，陰極壓降越大。

圖12為單電池工作電壓為0.4 V時，恒定流道寬度，不同脊寬度條件下，電流密度隨脊寬度的變化情況。從圖中可以看出流道寬度為0.5～0.7 mm時，電流密度隨著脊寬度的增加，逐步降低。而當流道寬度為0.9～1.5 mm時，電流密度隨著脊寬度的增加，呈現先增大后減小的趨勢。

圖10 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陽極壓降

圖11 恒定脊寬度在不同流道寬度的條件下陰極壓降

圖12 恒定流道寬度不同脊寬度條件下電流密度隨脊寬度的變化

圖13 為單電池工作電壓為0.4 V時，恒定脊寬度，不同流道寬度條件下，電流密度隨流道寬度的變化情況。從圖中可以看出流道寬度為0.3～0.6 mm時，電流密度隨著流道寬度的增加，逐步降低。而當流道寬度為0.7～1.5 mm時，電流密度隨著流道寬度的增加，呈現先增大后減小的趨勢。

圖13 恒定脊寬度不同流道寬度條件下電流密度隨流道寬度的變化

4.3 流道深度對電池性能影響

圖14 為單電池流道深度分別為0.4 mm、0.5 mm、0.7 mm和1.0 mm時的電池性能仿真結果曲線。從圖14中可以看出，隨著流道深度的逐漸變小，電池的極限電流密度逐漸變大，比功率逐步上升。

圖14 電池性能曲線

由于進氣氣體質量流率不變，流道深度的逐漸減小，導致了氣體流速隨著流道深度的變小而逐步增大，促進了反應氣體向擴散層內的擴散以及電池內部反應生成水向外的遷移，降低了電池在大電流密度下的過電勢，從圖15可以看出，氣體擴散層與催化層交界處的氧氣濃度隨著流道深度的減小而逐步增大。從圖16中可以看出，隨著流道深度的增加，氣體擴散層與催化層交界處的水含量逐漸增多。同時，從圖17中可以看出，流道深度越小，流道中從入口到出口的壓力降就越大，有利于反應生成水的排出。

4.4 優化方向和原則

對比以上仿真結果可以發現，單電池在0.6 V工作條件下與0.4 V條件下的壓降變化趨勢與電流密度變化趨勢基本相似，而0.4 V條件下的變化幅度較為明顯，因此以0.4 V的單電池仿真結果進行分析。

圖15 不同流道深度時陰極氣體擴散層與催化層交界處氧氣濃度分布

圖16 交界處水分布

圖17 流道從入口到出口方向陰極壓降

合適的燃料電池流道幾何形狀，既不應有高壓降，也不應有低電流密度。由于質子交換膜燃料電池中較高的壓降需要空壓機消耗更多的能量，最終會降低燃料電池的效率。從以上仿真結果可以得出：脊寬度對壓降影響很小，陽極壓降相對于陰極壓降可以忽略不計。因此可以從電流密度以及陰極壓降兩個參數去篩選出合適的流道尺寸，從仿真結果可以得出在單電池工作電壓為0.4 V時，流道寬度/脊寬度為0.5/0.3 mm時單電池的電流密度最大為1.15 A/cm2，然而此時流道長度只有20 mm的情況下陰極壓降高達22.46 Pa，顯然這會額外的增加不少空壓機的功耗。考慮最小壓降的情況，相應的流道寬度/脊寬度為1.5/0.3 mm，然而此時的電流密度僅有0.94 A/cm2，且只有0.3 mm的脊寬度也會導致接觸電阻的增大，這也會導致電池性能的下降。進一步的分析仿真結果，可以發現流道寬度/脊寬度為0.9 mm/0.9 mm和1 mm/1 mm這2個尺寸時，單電池的陰極壓降和電流密度分別是12.3 Pa和1.07 A/cm2和11.5 Pa和1.05 A/cm2，這2個尺寸下的單電池電流密度相對較高且陰極壓降較小。

單從提高電池性能的角度來看，流道深度越小越好，但是流道深度越小壓力降就越大，流道深度從0.4 mm變為0.5 mm時，電池性能變化不大，但是流道中壓力損失卻突然增加很多，對于實際電池而言，對空壓機的要求大大提高，這會造成整體系統的效率下降。因此，流道深度為0.5 mm較為合理。

5 結論

流道的寬度和深度對燃料電池流道的壓降影響更加明顯，而流道的寬度、深度以及脊寬度對燃料電池電流密度的影響相當。綜合考慮電流密度以及壓降2項參數，流道寬度、深度和脊寬度等尺寸分別為0.9 mm、0.5 mm和0.9 mm時燃料電池性能最優。

流道優化最終也受到雙極板材料的限制，不同的材料，由于物性差別，可能會產生不同的優化結果，這需要引起設計者的關注。