擋板式8通道蛇形流道PEMFC的性能研究

張智虎，鄭明剛*，石 磊

(1.山東建筑大學機電工程學院，濟南 250101；2.同濟大學汽車學院，上海 201804)

0 引言

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC) 因具有啟動速度快、產物環保、工作時無噪音、高效節能的優勢，已成為21世紀理想動力發展的趨勢。然而，PEMFC自身性能影響了其大規模商業化應用，因此，對PEMFC的性能改善進行研究仍是目前的研究熱點。

合理的流道設計不僅能夠提升PEMFC的傳質效率、排水能力，同時還能增強其水熱管理能力。目前，關于PEMFC中流道的幾何尺寸的研究相對較多。如文獻[1-4]關于流道長度對PEMFC性能影響的研究表明，流道越長，引起的流道內的壓力損失就越大，從而造成流道后段的反應氣體的濃度越低；同時，由于應力損失變大，也不利于電池反應時生成的水蒸氣的排出，易發生水淹現象，從而降低電池的性能和工作穩定性。文獻[5-10]關于流道寬度對PEMFC性能影響的研究表明，較小的流場脊寬度和較大的流道寬度能夠提高反應氣體的傳質效率，從而提高PEMFC的性能。KHAZAEE[11]關于在流道中設置不同形狀障礙物對PEMFC性能影響的研究表明，在三角形和矩形障礙物的后方區域，水的摩爾分數隨著障礙物高寬比的增加而減小；同時，設置矩形和三角形障礙物后，會使氧的摩爾分數變大。HEIDARY等[12]對堵塞雙極板流道后PEMFC的性能進行了研究，結果表明，在壓降較高的情況下，完全堵塞雙極板流道比部分堵塞更能提高PEMFC的凈電功率。THITAKAMOL等[13]對于中間擋板式交叉流道的研究表明，采用中間擋板式交叉流道的PEMFC的性能優于采用傳統交叉流道的PEMFC的性能，中間擋板式交叉流道的極限電流密度約為傳統交叉流道的1.4倍，這是因為陰極溢流發生了延遲，使采用中間擋板式交叉流道的PEMFC保持了較好的性能。JANG等[14]對cm級PEMFC流道中交錯擋板位置的優化設計進行了研究，結果表明，擋板的最佳位置取決于入口處反應氣體的流速；同時建議將流道中的所有擋板放置在相應流道的出口處，有限電流密度可從460 mA/cm2提升至510 mA/cm2。YIN等[15]對流道內安裝擋板后PEMFC的傳質特性及性能參數進行了研究，提出了一種阻塞率逐漸增加的流道設計，采用此設計的流道與阻塞率均勻的流道相比，可提升PEMFC的性能。文獻[16-18]研究了流道截面形狀對PEMFC性能的影響，并重點研究了截面形狀與流道內壓降損失之間的關系。

綜合上述文獻可知，通過優化流道整體幾何尺寸從而提升PEMFC性能是流道幾何尺寸研究的重點。近年來，部分學者提出通過改進流道局部尺寸來改善PEMFC的性能，比如在流道內部增設擋板，這種特殊的設計形式對于流道內部的傳質、排水，以及多孔電極內部的電化學反應均具有十分重要的影響[19-20]。

出于降低研究成本及縮短仿真計算時間的考慮，目前對于PEMFC性能的研究主要集中在對其單體的仿真模擬方面。完整的PEMFC單體由陰極、陽極流道，氣體擴散層(GDL)，催化層，以及中間的質子交換膜組成。因此，針對流道內物質輸運效果的研究不應僅局限于流道層面的模擬，而應對PEMFC單體進行模擬。本文針對采用8通道蛇形流道的PEMFC，對其陰極和陽極流道、GDL、催化層和質子交換膜進行了全流場層面的建模仿真，建立了一個8通道蛇形流道PEMFC的三維、穩態、恒溫模型，通過在通道內部增設擋板來研究擋板的設計對PEMFC性能的影響；并且模擬過程中還對包括流道和膜電極在內的燃料電池的核心部件內發生的物質運輸、電化學反應等進行了較為全面的考慮，以提升仿真效果。

1 模型與參數

在3.2 cm×3.2 cm的流場有效面積內建立了8通道蛇形流道PEMFC的三維、穩態、恒溫模型。下文分別對其物理模型及數學模型進行介紹。

1.1 物理模型

8通道蛇形流道PEMFC的物理模型如圖1所示，模型的基本參數如表1所示。

圖1 8通道蛇形流道PEMFC的物理模型Fig.1 Physical model of PEMFC with 8-channel serpentine flow channel

表1 物理模型的基本參數[21]Table 1 Basic parameters of physical model [21]

1.2 數學模型

PEMFC的數學模型涉及了多個學科領域，遵循以質量守恒、動量守恒、組分守恒及電荷守恒為主的守恒定律。這些守恒定律的通用公式可表示為：

式(1)中的4項從左到右分別是瞬態項、對流項、擴散項及源項。對于上述的各個守恒方程均是通過改變ψ的取值得到的。

當ψ=1時，可得到質量守恒方程，即：

式中，Sm為質量對應的源項，kg/(m3·s)。

當ψ=Yi(Yi為組分i的氣相摩爾分數)時，可得到組分守恒方程，即：

式中，Di為組分i的自由流質量擴散系數；SYi為組分i(H2、O2或H2O)在催化層內的消耗速率或產生速率對應的源項。

當ψ=φH+(質子電勢)或ψ=φe-(電子電勢)時，可得到質子/電子守恒方程。由于相對于流體的流動過程，電化學反應的過程很短，因此不考慮瞬態項，此方程可分別簡化為：

式(1)～式(6)中所涉及的源項在PEMFC的不同區域存在不同的表達形式，具體如表2所示。

表2 各源項在PEMFC不同區域的表達式Table 2 Expressions of source terms in different regions of PEMFC

表2中，KGDL與KCL分別為GDL和多孔電極的滲透率，m2；Mi與Si分別為組分i的化學表達式及化學計量系數；n為物質的量，mol；nd為生成的電子數；F為法拉第常數，C/mol，此處取96485；l為自由電子密度，m-3；j為電流密度，A/m2；MH2O為H2O的摩爾質量，kg/mol；SYH2O為H2O的源項；SYH2/O2為H2或O2的摩爾分數比的源項。

式中，A為單位體積的電催化表面積，m-1；I0,a、I0,c分別為陽極和陰極催化層的交換電流密度，A/m2；CH2、CO2分別為H2和O2的摩爾濃度，mol/m3；CH2,ref、CO2,ref分別為 H2和 O2的參考摩爾濃度，mol/m3；αa、αc分別為陽極和陰極催化層的電化學反應的轉化率；T為催化層表面溫度，K；R為氣體常數，J/(mol·K)，此處取8.314；η為活化電位。

1.3 模型驗證

為了保證模擬結果的準確性與科學性，根據文獻[17]通過實驗測出的一組采用蛇形流道的PEMFC的性能數據，以本文所提出的方式在尺寸、邊界條件、操作條件相同的情況下，利用COMSOL軟件建立采用蛇形流道的PEMFC的三維幾何模型，并對電池的性能進行仿真模擬。采用本文模型的仿真結果與文獻[17]的實驗結果的對比如圖2所示。

圖2 相同條件下，仿真結果與實驗結果的對比Fig. 2 Comparision of simulation results and experimental results under same conditions

由圖2可知，模型得到的仿真結果與文獻[17]中的實驗結果的吻合度較好，從而驗證了模型的正確性。

2 結果與討論

下文采用COMSOL軟件分別模擬了有、無擋板對PEMFC內部傳質的影響，以及擋板的阻塞比與擋板數量對PEMFC性能的影響。

2.1 擋板對PEMFC內部傳質的影響

基于8通道蛇形流道，分別對無擋板(傳統流道)、有擋板(擋板式流道)時PEMFC內部傳質情況進行分析。其中，傳統流道以最上側流道為研究對象，擋板式流道以最上側流道的擋板附近區域為研究對象。

PEMFC分別采用2種流道時選定區域內的氣體流速分布切面圖如圖3所示。

圖3 PEMFC分別采用2種流道時選定區域內的氣體流速分布切面圖Fig. 3 Section view of gas flow rate distribution in selected area when two kinds of flow channels are used in PEMFC

從圖3中可以看出，在傳統流道中，氣體流動相對緩慢且穩定；在擋板式流道中，擋板的存在減小了流道局部的截面積，使相同流量下的氣體在擋板周圍的流速明顯增加。氣體局部流速的增大，有利于更多的氣體進入多孔電極，同時由于氣體的流動行為發生改變，有利于氣體在多孔電極內輸運效率的提高。

PEMFC分別采用2種流道時選定區域內的氧氣濃度分布切面圖如圖4所示。

圖4 PEMFC分別采用2種流道時選定區域內的氧氣濃度分布切面圖Fig. 4 Section view of oxygen concentration distribution in selected area when two kinds of flow channels are used in PEMFC

由圖4可知，在傳統與擋板式流道中，隨著PEMFC中的反應氧氣被逐漸消耗，氧氣濃度均沿反應氣體流動方向逐漸變小；與此同時，在擋板式流道中，由于擋板的阻擋使流道局部出現了氧氣聚集，使該流道局部的氧氣濃度高于傳統流道局部的氧氣濃度，同時其氧氣分布的均勻性也優于傳統流道的，從而可有效提高電極反應的效率。

PEMFC采用擋板式流道時，選定區域內的水濃度分布切面圖如圖5所示。

圖5 PEMFC采用擋板式流道時選定區域內的水濃度分布切面圖Fig. 5 Section view of water concentration distribution in selected area of PEMFC with baffled flow channel

由圖5可知，氣體的對流效應使流道與GDL交界面處的水濃度在擋板處減小，說明擋板的設計能夠更有效地去除電池內部發生反應時所生成的水，從而有利于反應氣體更加順利地進入反應區域，增加PEMFC工作時的穩定性。

2.2 擋板的阻塞比對PEMFC性能的影響

以8通道蛇形流道PEMFC為基礎，研究擋板的阻塞比對PEMFC性能的影響。擋板的阻塞比為0.2～0.8時流道內壓降、擋板處最大氣體流速的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著擋板的阻塞比的增加，流道內的壓降逐漸上升。適當的提高壓降能夠有效提高流道去除水含量的能力，而過高的壓降會影響氣體分布的均勻性，結合文獻[22-23]得出的“當流道壓降小于190 Pa時，流道的壓力分布情況為最佳”這一結論，當擋板的阻塞比為0.7時，流道壓降處于最理想狀態。另外，擋板處的最大氣體流速也隨著擋板的阻塞比的增加而變大，流速的增加一方面有助于液態水的去除，另一方面更利于氣體到達反應區域，從而提高PEMFC的性能。

圖6 擋板的阻塞比不同時流道內壓降及擋板處最大氣體流速的變化曲線情況Fig. 6 Change curve of pressure drop in flow channel and maximum gas flow rate at baffle at different blocking ratios of baffle

2.3 擋板數量對PEMFC性能的影響

以8通道蛇形流道為基礎，研究擋板數量對PEMFC性能的影響。不同擋板數量下流道內的氣體流速分布切面圖如圖7所示。

圖7 不同擋板數量下流道內的氣體流速分布切面圖Fig. 7 Section view of gas flow rate distribution in flow channel with different baffle numbers

由圖7可知，不同擋板數量下，擋板處的最大氣體流速大致相等，但隨著擋板數量的增多，流道內部對流區域的數量增多。當擋板數量為7個時，保證了全流道內氣體分布的均勻性及較大的氣體流速，有利于氣體在多孔介質中的傳輸，對提升PEMFC的物質輸運能力最為有效。

圖8為不同擋板數量下GDL內的氧氣濃度分布切面圖。

圖8 不同擋板數量下GDL內的氧氣濃度分布切面圖Fig. 8 Section view of oxygen concentration distribution in GDL with different baffle numbers

從圖8中可以看出，隨著擋板數量的增多，流道內部對流區域增多，GDL內氧氣濃度分布均勻性越好。這主要是因為擋板對氣體有阻擋作用，擋板數量的增多減緩了氣體向出口流動的速度，有助于氣體在流道內充分擴散。當擋板數量為7個時，氧氣會由無擋板時的均勻穩定的慢速流動(5 m/s以內)轉變為較為均勻的快速流動，氣體流速約為9 m/s，屬于高氣體流速，并且此時流道內的氧氣濃度分布均勻性最佳，有利于反應氣體在GDL中的傳輸，并有助于去除微孔層中積存的液態水，使膜電解質中的離子保持有較好的水化水平，從而提升PEMFC的電化學性能。

3 結論

本文從全流場角度出發，建立了三維、穩態、恒溫的8通道蛇形流道PEMFC模型，研究了有、無擋板對PEMFC內部傳質的影響，并分析了擋板的阻塞比和擋板數量對PEMFC性能的影響，主要得到以下結論：

1)擋板的阻塞比的增加能夠有效改善流道內部的壓降，有助于增大液態水的去除效果。本研究中，擋板的阻塞比為0.7時流道壓降處于最佳狀態。

2)隨著擋板數量的增多，產生的對流區域也隨之增多，使氣體由無擋板時的均勻穩定的慢速流動(5 m/s以內)轉變為有擋板時的均勻快速流動(7個擋板時流道內的氣體流速約為9 m/s，且相對均一)，從而有效改善了PEMFC的性能。