車用質(zhì)子交換膜燃料電池變載工況下三維、兩相CFD數(shù)值模擬研究

龍佳慶

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545001）

以傳統(tǒng)化石原油為燃料的傳統(tǒng)動力汽車的普及，極大地增加了我國的原油消費(fèi)，大量化石燃料燃燒的尾氣排放造成全球變暖、氣候變化等嚴(yán)重的環(huán)境問題。從國家能源戰(zhàn)略的長遠(yuǎn)利益看，積極發(fā)展新能源汽車是解決上述兩大發(fā)展壓力的有效途徑，其中氫能因其具有高效率、零排放等特點被認(rèn)為是未來后石油時代的理想能源。近期“十三五”期間政府工作報告首次涉及氫能發(fā)展規(guī)劃，其中首先涉及的便是以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在交通領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。

然而，目前車用氫燃料電池發(fā)動機(jī)的成本和壽命是制約氫燃料電池汽車大面積商業(yè)化的主要問題。氫燃料電池主要以Pt/C 作為氧化還原催化劑，而在汽車頻繁啟停工況下用于催化劑載體的石墨極易在高電位下被氧化降解，嚴(yán)重影響電池性能及壽命，大大增加了使用成本[2]；此外，燃料電池作為固定電源，以恒定功率供電時，其使用壽命可達(dá)30000h，而車用燃料電池的壽命只有約2500～3000h。造成不同應(yīng)用場景電池壽命有如此大的差距，主要是因為車用燃料電池一直處于頻繁的啟停，變載工況對壽命有很大影響[3]，如圖1所示，其比例分別高達(dá)33%和56.5%。

圖1 車用工況致使燃料電池壽命衰減比例[4]

因此，對車用燃料電池的動態(tài)變載工況下電池內(nèi)部的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行深入研究，掌握電池瞬態(tài)傳輸特性，對進(jìn)一步提升電池使用壽命，降低成本具有重要意義。由于質(zhì)子交換膜燃料電池工作時內(nèi)部涉及復(fù)雜的傳質(zhì)、傳熱、傳電及電化學(xué)反應(yīng)，且以不同的時間和空間尺度發(fā)生，本文將建立考慮兩相流的三維等溫燃料電池單直流道模型，以計算流體力學(xué)FLUENT 為平臺，基于其PEM 燃料電池模塊進(jìn)行模擬計算，重點研究變載工況下電池內(nèi)部的動態(tài)響應(yīng)機(jī)制。

1 模型描述

如圖2所示，首先利用三維建模軟件UG建立2mm×3.46mm×50mm 的單直流道燃料電池模型，分別包括陰陽極氣體流道(Channel)、陰陽極集流板(BP)、陰陽極氣體擴(kuò)散層(GDL)、陰陽極催化層(CL)、質(zhì)子交換膜(Membrane)等九個計算域。為保證模型有較好的計算收斂性，模型在ANSYS/ICEM環(huán)境中，采用正六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，各計算域網(wǎng)格劃分參數(shù)見表1，網(wǎng)格數(shù)為

110000。

圖2 單直流道PEMFC計算域模型及網(wǎng)格劃分

表1 計算模型結(jié)構(gòu)尺寸及網(wǎng)格劃分

1.1 模型假設(shè)

為方便求解，數(shù)值模擬建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)之上，本文做出如下假設(shè)：

(1) 燃料電池在瞬態(tài)工況條件下運(yùn)行；

(2) 反應(yīng)中涉及的氣體均為理性氣體；

(3) 本模型不考慮忽略集流板溫度遲滯變化對電池性能的影響（等溫模型）；

(4) 電池中氣體擴(kuò)散層、催化層均為具有各項同性的多孔介質(zhì)；

(5) 僅考慮集流板間的接觸電阻。

1.2 數(shù)學(xué)模型守恒控制方程

如表2所示，氫燃料電池工作時涉及復(fù)雜的組分輸運(yùn)及電化學(xué)反應(yīng)，故燃料電池除了遵循質(zhì)量、動量和能量三大守恒控制方程外，還需滿足組分守恒、電荷守恒控制方程。

表2 PEMFC模型控制方程

1.3 邊界條件及仿真工況

在PEM 燃料電池模型中，陰陽極氣體入口為質(zhì)量流量入口，出口均設(shè)置為壓力出口，集流板為固體域，本模型集流板設(shè)為金屬鋁，壁面均為無滑移等溫壁面邊界wall，其余計算域為流體域。為準(zhǔn)確地捕捉電池瞬態(tài)特性，提高計算精度，采用二階迎風(fēng)格式的壓力基SIMPLE 算法，表3 為重要物性參數(shù)。本文選取燃料電池陰陽工作壓力均為2atm，陰陽極進(jìn)氣過量系數(shù)分別為2.5 和1.2，工作溫度為333K，進(jìn)氣濕度為60%，重點研究在忽略溫度影響下電池變載時內(nèi)部反應(yīng)機(jī)制，表4為模擬工況進(jìn)氣參數(shù)。

表3 物性參數(shù)

表4 模擬工況進(jìn)氣參數(shù)

2 仿真模擬結(jié)果與分析

圖3 電流密度0.2-0.6A/cm2變載電池瞬態(tài)響應(yīng)

為模擬車用質(zhì)子交換膜燃料電池變載工況下電池內(nèi)部動態(tài)響應(yīng)機(jī)制，基于上節(jié)構(gòu)建的三維，考慮氣液兩相流具有單直流道單體PEMFC 模型。同時，忽略電池外部溫度的響應(yīng)遲滯，保持恒溫邊界，如圖3所示，在零秒時刻給定電流密度0.2-0.6A/cm2階躍負(fù)載模擬汽車變載工況。單體電池電壓從零秒時刻之前的0.743V 立即下降至0.633V，隨后，經(jīng)過大約12s左右，單體電池電壓逐漸上升至0.712V，即在給定階躍變載后，單體電池電壓出現(xiàn)明顯的下沖和緩沖時間，下沖量約為79mV，緩沖時間12s 左右。此外，在圖3中發(fā)現(xiàn)，幾乎在給定變載瞬間即零時刻開始，質(zhì)子交換膜的平均含水量( λ)開始從之前的 λ=4 以一定斜率逐漸上升，約經(jīng)過12s趨于穩(wěn)定在 λ=10.15左右。

圖4 陽極氣體擴(kuò)散層-催化層交界面Z=25mm軸線上氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬態(tài)分布

2.1 變載瞬間組分瞬態(tài)響應(yīng)

為探究單體電池在變載瞬間電池內(nèi)部反應(yīng)氣體組分的動態(tài)響應(yīng)，如圖4、圖5 分別給出了在3s、6s、9s、12s時刻在陽極、陰極氣體擴(kuò)散層-催化層交界面Z=25mm 軸線上氫氣和氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均由氣體流道中心區(qū)域向兩邊脊部區(qū)域逐漸減小。這是因為反應(yīng)氣體進(jìn)入流道后，經(jīng)過擴(kuò)散層多孔介質(zhì)的強(qiáng)制對流擴(kuò)散，再加上集流板脊部壁面的擠流，使得在反應(yīng)氣體組分在擴(kuò)散層-催化層交界面上脊部區(qū)域的氣體分壓較大。所以，圖6 中陰極催化層Z=25mm中截面較大的局部電流密度區(qū)域集中在脊部附近區(qū)域。

圖5 陰極氣體擴(kuò)散層-催化層交界面Z=25mm軸線上氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)瞬態(tài)分布

此外，對比圖4、圖5 還發(fā)現(xiàn)，在給定電流密度階躍負(fù)載0.2-0.6A/cm2后，需要更多的反應(yīng)氣體參與反應(yīng)。所以，隨著時間推移，氣體擴(kuò)散層-催化層交界面Z=25mm 軸線上的反應(yīng)氣體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，均在脊部區(qū)域氣體組分減小明顯，陽極氫氣相對于陰極氧氣減小更加明顯。

圖6 陰極催化層Z=25mm中截面局部電流密度瞬態(tài)分布

2.2 變載瞬間膜含水量瞬態(tài)響應(yīng)

如圖7所示，給出了在階躍加載電流密度0.2-0.6A/cm2后，在3s、6s、9s 以及12s 時刻在質(zhì)子交換膜計算域沿Z 軸方向流道長度的20%、40%、60%以及80%截面上膜水含量的分布情況。由于質(zhì)子交換膜燃料電池本質(zhì)屬性，產(chǎn)物水在陰極側(cè)聚集，并由于陰陽極兩側(cè)存在的濃度差，而反向陽極側(cè)擴(kuò)散，使得膜陰極側(cè)含水量高于陽極側(cè)。可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載電流密度增加到0.6A/cm2，更多的反應(yīng)氣體參與反應(yīng)而被消耗，在陰極側(cè)生成更多的產(chǎn)物水聚集在質(zhì)子交換膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)擴(kuò)散，使得膜平均含水量逐漸上升，質(zhì)子導(dǎo)電率增強(qiáng)，歐姆阻抗逐漸降低，單體電池電壓上升。

圖7 質(zhì)子膜Z方向XY截面膜含水量瞬態(tài)分布

3 結(jié)論

本文為研究應(yīng)用于汽車的質(zhì)子交換膜燃料電池在變載工況的電池內(nèi)部瞬態(tài)響應(yīng)機(jī)制，建立了一個三維，考慮氣液兩項流等溫的單直流道燃料電池模型。利用ANSYS/FLUENT 中燃料電池模塊進(jìn)行瞬態(tài)求解，在零時刻給定0.2-0.6A/cm2階躍負(fù)載模擬變載工況，在變載瞬間單體電池電壓從之前的0.743V 立即下降至0.633V。之后，隨時間推移更多的反應(yīng)氣體參與反應(yīng)，尤其是脊部區(qū)域反應(yīng)氣體減小明顯，局部電流密度區(qū)域趨于均勻。質(zhì)子交換膜含水量逐漸上升并重新分布至趨于穩(wěn)定，交換膜質(zhì)子導(dǎo)電率增強(qiáng)，歐姆阻抗下降，單體電池電壓經(jīng)過12s左右逐漸上升至0.712V。故忽略電池溫度影響，0.2-0.6A/cm2階躍變載，單體電池電壓的下沖量及響應(yīng)時間取決于變載前后質(zhì)子交換膜內(nèi)含水量的重新分布。