PEMFC陰極的強化傳質機制

蔡永華,魏 帆,吳 迪,孫靖茗

（1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070; 2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心,湖北 武漢 430070; 3.新能源與智能網聯車湖北省工程技術研究中心,湖北 武漢 430070; 4.武漢理工大學汽車工程學院,湖北 武漢 430070）

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有高效、環保、節能等優勢,是有前途的便攜式動力能源,但商業化還面臨一些問題,如組件耐久性差和成本高等。對高電流密度下電池性能和耐久性衰退機制的研究認為,反應物運輸能力較差是導致反應物缺乏和產生水淹的主要原因[1]。B.W.Wang等[2]通過準二維模型的仿真,發現提高陽極、陰極入口壓力,分別對電壓下降起到緩解和加劇作用。優化流場結構設計,也可增強電池的傳質能力。姚國軍等[3]設計的PEMFC采用迷宮流場結構雙極板,具有較大的功率密度,最大值為0.52W/cm2。Y.Yin等[4]探究了擋板高度和擋板數量在特定電壓下對電池性能的影響,指出:擋板高度為70%、擋板數量為5個時,電池凈功率提升最大。劉志春等[5]發現,各單體電池若合理采用非均勻深度流道,可提高電池堆流量分布的均勻性。此外,一些研究者關注于傳統流場的改造。H.Heidary等[6]通過模擬和實驗探究,發現相較于直線排列方式,平行流場中堵塊交錯排列的電池性能增加了7%,能夠提供更可靠的性能。T.Monsaf等[7]分析螺旋流場的流道寬度和螺旋圈數,發現增加流道的寬度有利于反應物的均勻分布,適當增加螺旋的數量,有利于提高功率密度。蔡永華等[8]建立三維單流道模型,分析過量系數和堵塊高度作用機制的差異,發現強化傳質流場中的堵塊迫使氣流進入擴散層的作用,能在所有電流密度下生效;而提高過量系數,在低電流密度下無法通過濃度擴散提高擴散層中氧氣濃度。

本文作者在Fluent軟件中建立4種堵塊高度的強化傳質流道三維模型及傳統直流道單流道三維模型,通過數值模擬研究不同陰極過量系數和堵塊高度的共同作用對PEMFC性能和傳質性能的影響,分析得出堵塊高度和過量系數共同作用下的氧氣傳輸機理。

1 模型與參數

PEMFC模型是一個復雜的三維多相的系統,包含物質傳輸、相變、傳熱和電化學等。為了在模擬仿真中體現出結構對PEMFC傳質性能的影響,需要建立幾何模型與數值模型,并基于一些假設進行仿真。幾何模型與數值模型的建立、仿真基于的假設、邊界條件、模型有效性驗證和網格獨立性驗證見文獻[8]。

2 結果與討論

2.1 過量系數和堵塊高度的共同作用機制

具有不同堵塊高度的陰極強化傳質流場的電池模型在不同過量系數下的極化曲線見圖1。

從圖1可知,與文獻[8]中直流道結構在各過量系數下的極化曲線相比,在堵塊高度和過量系數的共同作用下,當堵塊高度為50%、70%、90%和 94%時,最大功率分別提升了14.8%、15.7%、18.4%和24.3%。在電流密度超過1.6 A/cm2（直流道最大功率所對應的電流密度）后,電池性能衰退較慢,說明拓展了極限電流密度;在低電流密度下,電池的性能基本一致。此外,以直流道結構在過量系數3.0工況下的總功率密度0.829W/cm2為標準,堵塊高度為50%、70%、90%和94%的模型,在過量系數為2.5時的功率密度分別達到了0.820W/cm2、0.826W/cm2、0.837W/cm2和0.856W/cm2。這表明,在滿足同等功率需求時,增設堵塊的結構所需進氣量比直流道結構少。隨著過量系數的增大,該現象更明顯。94%高度模型在3.0過量系數下的電池性能（0.887W/cm2）已超過直流道結構在5.0過量系數下的0.874W/cm2[8],減少了40%的進氣量。這說明,增設堵塊結構可以提高電池的燃料經濟性。

圖1 各電池模型在不同過量系數下的極化曲線Fig.1 Polarization curves of each cell model under different excess coefficient

不同堵塊高度的模型在不同過量系數下的壓降見表1。

從表1可知,在堵塊高度不高于70%時,壓降較小,維持電池運行所需的補償功率密度基本可忽略不計。在堵塊高度不低于90%時,壓降至少為3 558.27 Pa,且隨著過量系數的增加而增大,因此凈功率密度會受到較大的影響。

表1 各電池模型在不同過量系數下的壓降Table 1 Pressure drop of each cell model under different excess coefficients

不同堵塊高度的模型在不同過量系數下的凈功率密度見圖2。

圖2 各電池模型在不同過量系數下的凈功率密度Fig.2 Net power density of each cell model under different excess coefficients

從圖2可知,在堵塊高度低于90%時,無論處于何種過量系數下,最大功率密度的下降幅度都小于5‰;在堵塊高度為90%,過量系數高于3.0時,最大功率密度的下降幅度已經超過5‰;甚至在過量系數為5.0時,該幅度可達2.8%。在堵塊高度為94%時,最大功率密度的下降幅度最多可達8.51%,嚴重影響了凈功率密度。這表明,雖然電池功率隨著堵塊高度和過量系數的提升能得到良好的改善,但所需的補償功率也會隨之上升,并且補償功率的數量級與堵塊高度成正相關。

不同堵塊高度模型的催化層和氣體擴散層中平均氧氣摩爾濃度隨電流密度變化的關系見圖3。

從圖3可知,在堵塊高度不到90%時,堵塊結構與直流道結構[8]相似,存在氧氣濃度上限,且氧氣濃度上限相差較小。這一上限在堵塊高度達到90%時被突破,尤其是堵塊高度為94%的模型,低電流密度時的氧氣濃度超過直流道20%以上。隨著電流密度增大,氧氣的消耗加劇,氧氣傳質能力的提升效果更加顯著,濃度提升幅度最大可達到38%;而在低過量系數時,也能看到顯著的氧氣濃度差異。在堵塊高度為94%的模型中,氧氣濃度提升幅度更明顯,在過量系數為5.0時,流道前半段濃度均在6.0 mmol/m3以上。

圖3 各電池模型在不同過量系數下的氧氣摩爾濃度Fig.3 Oxygen molar concentration of each cell model under different excess coefficient

2.2 基于過量系數和堵塊高度的無量綱分析

基于直流道和不同堵塊高度結構的電池在過量系數分別為2.0、3.0、4.0和5.0的工況下的最大凈功率密度,建立與堵塊高度和過量系數相關的經驗公式,無量綱參數K作為預測電池性能的經驗參數。

式（1）中:h為堵塊高度占流道高度的百分比;s為過量系數。

由于在燃料電池的實際使用中,流道結構固定而工況可變,對K值求s的偏導,可得:

根據式（2）可知,因為堵塊高度h是堵塊高度占流道高度的比值,范圍為0～1,所以對于無堵塊結構,K值在過量系數s為5.3時最大,即直流道電池運行在該工況下,凈功率密度最大。對于堵塊高度為94%的結構,K值在過量系數s為4.8處取得最大值,即在某一堵塊高度下,K值將在過量系數s達到某一值時出現峰值。據此推論,分別進行過量系數為4.8、5.0和6.0的工況下堵塊高度94%的結構和過量系數為1.5、2.5和3.5的工況下各結構K值的計算和數值模擬,通過對比K值和實際最大凈功率密度的變化趨勢,驗證K值對于性能預測的有效性,結果見圖4。

圖4 K值與實際性能變化趨勢一致的驗證Fig.4 Verification of consistency between K value and actual performance changing trends

從圖4可知,電池性能隨堵塊高度和過量系數的變化趨勢,基本上與K值的變化趨勢一致。這說明,與堵塊高度和過量系數相關的無量綱參數K,可用于指導燃料電池流道結構設計,能夠減少設計所需的實驗成本和仿真時間。

不同堵塊結構在不同過量系數工況下的K值見圖5。

圖5 K值變化趨勢Fig.5 Change trend of K value

從圖5可知,在過量系數超過5.5后,直流道結構和堵塊結構的電池都出現了性能瓶頸。直流道是因為結構的限制,擴散層和催化層中的氧氣摩爾濃度達到了濃度擴散達到的上限;堵塊結構是因為加大過量系數所產生的壓降耗損了部分功率,降低了凈功率密度。根據K值隨過量系數s變化的趨勢來看,K∈[20,30]時,凈功率密度為0.72～0.80W/cm2,電池性能較差,陰極反應氣體處于缺乏狀態,凈功率密度隨過量系數增長的幅度較大;K∈（30,40]時,凈功率密度為0.80～0.85W/cm2,電池性能隨著過量系數的提升穩步上升,陰極反應氣體消耗程度略大于補充程度,缺氧的狀況得到緩解;K>40時,凈功率密度為0.85～0.89 W/cm2,提升過量系數帶來的收益已經微乎其微,陰極反應氣體已經處于飽和狀態,限制電池性能的因素主要是流道結構和壓降補償功率。

3 結論

本文作者對PEMFC的堵塊高度和過量系數的共同作用機制進行了探究,建立并對比分析了4種堵塊高度的強化傳質流道三維模型以及傳統直流道單流道三維模型在不同過量系數下的電池性能。主要結論如下:

與堵塊高度和過量系數相關的無量綱參數K值可以用于預測陰極直流道結構和堵塊結構在不同過量系數下的性能變化趨勢。K∈[20,30]時,反應氣體匱乏,需要增加過量系數;K∈（30,40]時,陰極缺氧的狀況隨過量系數的提升而緩解;K>40時,陰極反應氣體充足,限制電池性能的原因主要是流道結構對反應氣體的容納量有限或補償功率的增加幅度大于性能提升的幅度。

直流道結構存在氧氣濃度上限,提升過量系數無法進一步提升流道內氧氣濃度,而增設堵塊的結構能夠在大過量系數下發揮更好的傳質強化效果。增設94%高度堵塊的結構相較于直流道,同等情況下氧氣濃度提升幅度分別為20%（低電流密度）和38%（高電流密度）。

增設堵塊的結構可提高電池燃料經濟性。與直流道結構相比,增設94%高度的堵塊,最多可降低40%的進氣量。

堵塊高度≤70%時,雖然對電池性能提升幅度較小,但能夠拓展極限電流密度,且堵塊所產生的壓降可忽略不計;在堵塊高度≥90%時,堵塊對催化層和擴散層中氧氣濃度提升幅度雖然顯著,但可能造成至少3 558.27 Pa的壓降。