流道凸臺對氫燃料電池發電性能提升路徑研究*

郭朋彥，冉 朝，秦 飛，任 赟，康王冠

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.河南省新能源車輛熱流電化學系統國際聯合實驗室，河南 鄭州 450045）

隨著環境污染、能源危機的不斷加劇，氫能這一清潔無污染的人類社會“終極能源”被認為是解決環境與能源問題的必由之路。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫氣、氧氣的化學能直接轉化為電和水的電化學裝置，由于其功率密度高、工作溫度低、噪聲小、啟動快、幾乎零排放等優點，被認為是最有前途的發電技術之一，已被應用于許多領域，如汽車工業等。然而，目前仍有許多問題阻礙其進一步發展和廣泛的商業化，如成本高、壽命短和發電性能較差等。

為了解決這些問題，合理地設計雙極板流場進而提高燃料電池輸出功率密度十分重要。許多學者對燃料電池雙極板進行了設計優化，其中關于擋板或凸臺的研究逐漸成為熱點。Heidary等人研究了凸臺完全堵塞和部分堵塞對傳質效果的影響，研究結果表明：完全堵塞使得氣體只能從擴散層躍過凸臺，強化了傳質效果，提升了發電性能。Arasy等人在仿生流場中加入擋板并對流場進行了仿真分析，結果表明擋板的存在使得氧氣分布更加均勻，功率密度提高了18%。Cai等人受到墨魚鰭的啟發，開發了一種仿生波浪狀凸臺，通過對其振幅和周期的優化發現最優波形可提升2.2%的發電性能。大量的研究表明，流道內凸臺可以增強燃料電池的傳質效果，提升燃料電池的發電性能，然而關于凸臺形狀對燃料電池性能提升效果的研究仍然較少。

本文通過數值模擬的方法，建立了帶有不同形狀凸臺的燃料電池三維模型，研究了凸臺形狀對燃料電池傳質和發電性能的影響。

1 模型描述

1.1 幾何模型

本文建立的燃料電池模型尺寸為50×3×4.7338mm，主要包括陰/陽極雙極板、流道、擴散層、催化層及質子交換膜9個部分，如圖1所示。其中，流道長度為50mm，寬度為3mm，流道寬度和深度均為1mm。在平滑流道的基礎上分別增加截面形狀為半圓、梯形和矩形的凸臺，如圖2所示，其中為流道深度，凸臺的最大深度0.75mm，長度=1.5mm，=0.5mm，凸臺的寬為1mm，其余尺寸及操作參數見表1。

圖1 燃料電池幾何模型

圖2 不同結構的燃料電池流道模型

表1 模型幾何尺寸及操作條件

1.2 模型假設

為了保證模擬的準確性，做出以下假設。

1）電池處于穩態、等溫的運行狀態。

2）涉及氣體均為理想氣體，不可壓縮。

3）氣體擴散層、催化層和膜化學性質均勻。

1.3 控制方程

燃料電池模型涉及的控制方程主要包括：質量、動量和能量守恒方程、組分守恒方程、電流守恒方程以及電化學守恒方程等。

1.3.1 質量守恒方程

1.3.2 動量守恒方程

式中：——靜態壓力；μ——動態粘度；——動量源項。

1.3.3 能量守恒方程

式中：——比熱容；——有效熱導率；——體積源項。

1.3.4 組分守恒方程

式中：——組分源項；——組分的體積分數；——混合物中組分的有效擴散系數。

1.3.5 電流守恒方程

上述公式是巴特勒-沃爾默函數的一般表述。其中，[H]和[O]分別是陽極催化劑層的氫氣濃度和陰極催化劑層的氧氣濃度，[H]和[O]是參考氫氣濃度和參考氧氣濃度，和分別是陽極和陰極體積參考交換電流密度，α和α分別是陽極和陰極轉移系數，γ和γ分別是陽極和陰極濃度依賴指數，η和η分別是陽極和陰極過電位。

2 模型驗證

細密的網格可以得到更準確的結果，但所需要的計算時間較長。為了在保證計算結果可靠的前提下節省計算資源，本文基于平滑流道燃料電池模型進行了網格無關性驗證，結果如圖3所示。通過對7種不同網格數量的模型進行仿真發現：當網格數達到487500時，計算結果與網格數無關。

圖3 網格無關性驗證及模型可靠性驗證

為了驗證本文所用模型的可靠性，將數值模擬結果與實驗數據對比，如圖3所示，結果發現兩者能夠較好地擬合，其中數值模擬中使用的幾何模型、材料特性和操作條件均與實驗保持一致，從而驗證了模型具有一定的可靠性。

圖3 測絕緣時絕緣表正常顯示數

3 結果與分析

3.1 電池極化曲線

極化曲線是評價燃料電池發電性能的重要指標。4種不同流道凸臺燃料電池的極化曲線如圖4所示，燃料電池依次經歷了活化極化、歐姆極化和濃差極化，其中造成濃差極化的主要原因是反應物的濃度變化。與平滑流道相比，帶有凸臺的流道顯示出了更好的發電輸出性能。其中矩形凸臺流道帶來的性能提升最高，在濃差極化區的0.3V時，燃料電池輸出電流密度提升了9.87%。輸出電流密度從大到小依次是：矩形凸臺＞梯形凸臺＞半圓形凸臺＞平滑流道。

圖4 不同流道的燃料電池極化曲線

3.2 氧氣分布

燃料電池陰極氧氣的分布是制約燃料電池反應速率的重要因素。圖5顯示的是4個燃料電池在0.5V電壓下陰極擴散層和催化層交界面（GDL/CL）的氧氣質量分布云圖。從圖5中可以看出，隨著電化學反應的進行，4種流道內氧氣質量分布從入口到出口逐漸減小。與平滑流道相比，帶有凸臺的流道內部氧氣濃度更高，且在凸臺附近發生驟增，從氧氣濃度增強效果而言：矩形凸臺＞梯形凸臺＞半圓形凸臺。由此可以看出，凸臺流道內具有更高的氧氣分布，而更多的氧氣將直接提高電化學反應的速率，從而提高燃料電池的輸出性能。

圖5 陰極GDL/CL交界面質量分布云圖

3.3 流動分析

圖6為4個燃料電池陰極流道內的速度流線圖，從中可以觀察到，氣體流經凸臺時速度增加，凸臺的存在使得氣體流道的流通面積發生驟變，打破了氣體平穩流動的狀態，迫使氧氣向擴散層的方向傳輸，并促進了氧氣向雙極板脊下擴散，從而增強了氧氣的傳質效果。

圖6 不同流道內速度流線圖

3.4 壓力分析

流道內的壓力分布如圖7所示，從圖7中可知，平滑流道內部壓力均勻降低，而帶有凸臺的流道壓力呈現階梯狀降低趨勢，這是由于凸臺的存在部分堵塞了流道，增加了氧氣向后的流通阻力，使得凸臺前后形成了一定的壓力梯度，而較大的壓力促進氧氣更易擴散進入催化層；且進出口壓差最大的是矩形凸臺流道，其壓降達到了321Pa，之后依次是梯形凸臺流道和半圓凸臺流道。由此可見，較大的壓降提升了燃料電池內部傳質效果，獲得了更好的氧氣分布，從而提高燃料電池的發電性能。

圖7 不同流道內的壓力分布

4 結論

本文通過在流道中加入不同截面形狀的凸臺，研究了凸臺及其形狀對燃料電池性能的影響，通過分析燃料電池極化曲線、氧氣分布、氣體流速以及流道壓力，發現凸臺部分堵塞了氣體流道，改變了反應氣體傳輸路徑，同時造成流道內壓強升高，進而促進了更多反應氣擴散入催化層，而最終提升了燃料電池的發電性能。

1）與平滑流道相比，帶有凸臺的流道燃料電池具有更好的發電輸出性能，其中矩形凸臺流道性能提升最多。

2）凸臺的存在提升了擴散入催化層氧氣的質量分布，即改善了催化層的氧氣分布，尤其是在凸臺附近較為明顯，從而提升了電池的發電性能。

3）凸臺使氣體流道的流通面積發生驟變，迫使氧氣向擴散層的方向傳輸，并向雙極板脊下擴散，從而提高了凸臺流道的氧氣分布。

4）凸臺部分堵塞流道，增加了氧氣的流道阻力和進出口壓降，進而迫使更多的氧氣擴散入催化層，進一步提升了凸臺流道的氧氣分布。