基于雙重強化傳質流道的PEMFC性能研究

趙永豪，袁 偉，周飛鯤，湯 勇

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641；2.佛山仙湖實驗室智能氫復合動力車輛技術研究院，廣東佛山 528216)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)因具有能量密度高、啟動快、無污染等優點，被視為替代傳統化石能源的理想動力源，已應用于新能源汽車、飛行器/航天器、分布式發電、便攜式電源等領域[1]。然而，受制于反應動力學、內部結構設計、水熱管理等因素，PEMFC 的運行性能、壽命和可靠性等往往受到很大影響，致使其尚未實現大規模應用。

流道結構與PEMFC 的性能密切相關，合理的流道設計能夠有效強化反應物傳質、改善排水，提升電池的輸出性能。目前，關于PEMFC 流道結構設計已有大量報道，Afshari 與Pourrahmani 等[2-3]研究了在氣體通道中添加擋板對電池性能提升的效果。Badduri 等[4]建立了仿生學結構通道的數學模型，發現具有叉指葉流道設計的PEMFC 比傳統設計產生的功率密度高，即使考慮寄生功率損失，具有叉指狀流道設計的燃料電池功率密度仍然更高。Li 等[5]分析了一種縱向波紋蛇形三維流道。該流道能夠有效強制對流，提高氧氣在電極多孔結構中的傳輸速率，最終改善電池性能。Ramin 等[6]研究了帶陷阱型流道對電池性能的影響，分析表明陷阱型流道能夠改善氧和水在陰極催化層的分布，降低電池的陰極過電位，顯著提高電池的功率密度。Wan 等[7]基于最小熵產生來優化直流道結構，通過控制M 型形狀尺寸比例，探究了M 型流道電池性能的影響。在相同的計算條件下，M 型流道表現出更高的傳熱傳質性能，從而提高了電池的整體輸出。Lim 等[8]發現改進的平行流場使得電流密度和反應物分布更加均勻。該特性降低了形成熱點的可能性，因此提高了電池的性能。

綜上所述，優化流道結構是提升PEMFC 性能的重要抓手。然而，公開文獻報道主要集中于通過對流道結構單個方向(橫向或縱向)的改進優化，來改善電池內部的傳熱傳質情況，從而達到提高電池性能的效果。其缺點是容易忽略結構帶來的各向異性影響。為此，本文基于橫向和縱向兩個典型取向對流道結構進行了雙重強化設計，利用COMSOL 建立了三維、穩態、非等溫的PEMFC 模型，對新型流道結構的功能特性及其影響進行具體分析。

1 PEMFC 模型及參數

1.1 三維幾何建模

PEMFC 幾何模型包含了雙極板、流道、氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)、催化層(catalytic layer，CL)和質子交換膜。雙重強化流道PEMFC 的模型如圖1 所示，上側為陰極區域，下側為陽極區域。其中，雙重強化流道是由橫向和縱向強化流道疊加組合而成。在橫向上表現為位錯的陣列橢圓弧，在縱向上表現為陣列擋板。

圖1 雙重強化流道PEMFC 的物理模型

本文建立的模型中所用到的基本參數見表1，部分參考了文獻[9]，部分基于材料自身的屬性。

表1 模型基本參數

對幾何模型建立的網格如圖2 所示。其中，擴散層(GDL)、催化層(CL)和膜采用自由三角形掃掠劃分；雙極板和流道采用自由四面體網格劃分。以整個全電池幾何模型為計算區域。

圖2 幾何模型網格劃分

1.2 數學模型與假設

在COMSOL 中進行模擬分析時，為便于計算需要建立以下假設：(1)PEMFC 在穩態條件下運行；(2)混合氣體為不可壓縮的理想氣體；(3)模型中的流動為層流；(4)忽略重力效應；(5)擴散層和催化層為各向同性的均質多孔材料；(6)沒有反應氣體穿過質子交換膜；(7)不考慮PEMFC 各部分之間的接觸電阻。

文中采用的計算模型主要包含以下數學方程：

質量守恒方程：

式中：ε為多孔介質的孔隙率；ρ為反應氣體的密度；u為速度；Sm為質量源相。

動量守恒方程：

式中：p為氣體壓力；Su為動量源項。

組分守恒方程：

式中：ck、Sk分別為組分濃度和組分源項。

電化學反應速率方程：

式中：Ja,ref為陽極交換電流密度；CH2為氫氣的摩爾濃度；CH2,ref為氫氣的參考摩爾濃度；γa為陽極濃度系數；αa為陽極傳遞系數；αc為陰極傳遞系數；F為法拉第常數；R為熱力學常數；T為溫度；ηa為陽極過電位。

式中：Jc,ref為陰極交換電流密度；CO2為氧氣的摩爾濃度；CO2,ref為氧氣的參考摩爾濃度；γc為陰極濃度系數；ηc為陰極過電位。

電勢守恒方程：

式中：σ為電解質電導率；?為電勢；S為電流源項。

1.3 模型驗證

為驗證模型及模擬計算的準確性和可靠性，根據文獻[10]得到一組采用直流道的PEMFC 的實驗性能數據，在幾何參數、邊界與操作條件相同的情況下，利用COMSOL建立了直流道PEMFC 的三維模型，并對電池的輸出性能進行模擬分析。采用文獻[10]的實驗結果與本文模型的仿真結果對比如圖3所示。

圖3 仿真結果與實驗結果對比

從圖3 中可以觀察到，通過COMSOL 模型仿真得到的結果與文獻[10]中的實驗結果基本吻合，說明本文建立的模型能夠準確預測相關結果。其中，文獻[10]中的初始溫度為353 K，陰陽極入口氣體濕度100%，陰陽極化學計量比為2 和1.5，操作壓力0.2 MPa；計算模型中測試條件與文獻保持一致。陽極入口氣體流速0.17 m/s，陰極入口氣體流速0.56 m/s。

2 結果與討論

本文對直流道、橫向強化、縱向強化以及雙重強化流道的PEMFC 進行模擬和對比分析。

2.1 雙重強化流道對PEMFC 傳質的影響

對4 種流道PEMFC 內部的傳質情況進行模擬分析，以陰極流道為研究對象，采用4 種流道時計算區域的氣體流速分布切面圖如圖4 所示。

由圖4 可知，電池采用直流道時，氣體流速相對較小且穩定；采用橫向強化或縱向強化流道時，由于在不同的維度添加了擋塊減小了流道局部橫截面積，使得擋塊處的流速有一定的提升，此時橫向強化流速提升高于縱向強化。氣體流速的增加能夠迫使更多氣體進入多孔電極，提高氣體在電池中的運輸效率；對于雙重強化流道，由于兩個方向擋塊的疊加，氣體流速在流道中間表現出更為明顯的提升，局部可達10 m/s，這說明雙重強化流道在電池氣體傳輸上具有更大的優勢。

圖4 分別采用4種流道時的氣體流速分布切面圖

以陰極多孔電極為研究對象，分別采用4 種流道時計算區域的氧氣濃度分布切面圖如圖5 所示。

圖5 分別采用4種流道時的氧氣濃度分布切面圖

從圖5 中可以看出在直流道電池中，氧氣隨著電化學反應的進行被消耗以及過程的減弱，氧氣濃度沿著傳輸方向逐漸降低；在橫向強化或縱向強化流道電池中，得益于氣體流速的增加，局部氧氣濃度有所提高；在雙重強化流道中，得益于橫向與縱向兩個方向強化傳輸效應的疊加，整個區域內的氧氣濃度得以大幅提升，特別是在靠近入口處增加60%以上，從而為電化學反應提供了更多的反應物，對于強化電池的反應動力學能夠帶來積極作用。

以陰極流道為研究對象，分別采用4 種流道時計算區域的水濃度分布切面圖如圖6 所示。

圖6 分別采用4種流道時的水濃度分布切面圖

由圖6 可知，在直流道中，計算區域水的濃度沿著氣體傳輸方向逐漸增加；在橫向強化或縱向強化流道中，由于氣體流速的增加，水濃度分布具有更好的均勻性，其中，橫向強化時水濃度稍大一些；在雙重強化流道電池中，計算區域水濃度整體上有所增加，主要是此時多孔層電化學反應更為劇烈，生成了更多產物水的緣故。另外，由于此時的氣體局部流速較大，吹掃作用更為強烈，使得水分布在靠近出口端反而相對較小，這在一定程度上避免了產物水在電池內的積累，是提升電池性能的有利因素。

以陰極流道為研究對象，分別采用4 種流道時計算區域的壓力分布切面圖如圖7 所示。

圖7 分別采用4種流道時的壓力分布切面圖

由圖7 可知，電池采用直流道時，流道中壓降很??；采用橫向強化或縱向強化流道時壓降有一定提高；在采用雙重強化流道時，由于兩個維度擋塊的強迫對流，流道壓降大幅提高，即此時雖然大幅改善了反應物的濃度分布，有利于產物吹掃，但也存在著壓力分布過大的不足。對此，在后續研究中將在保持電池優越輸出性能的同時，著手于大幅改善雙重強化流場的壓力分布情況。

2.2 雙重強化流道對PEMFC 溫度的影響

對4 種流道PEMFC 內部的溫度情況進行模擬分析，以陰極多孔電極為研究對象，分別采用4 種流道時計算區域的溫度分布切面圖如圖8 所示。

圖8 分別采用4種流道時的溫度分布切面圖

由圖8 可知，在直流道中，計算區域的溫度沿著氣體傳輸方向逐漸升高；在橫向強化或縱向強化流道中，橫向強化流道的溫度峰值有所增加，縱向強化流道的溫度峰值有所降低，而且沿氣體傳輸方向先升高后稍微降低，這與電化學反應的強烈程度以及氣體流速增大對散熱的影響有關；在雙重強化流道電池中，溫度分布趨勢與橫向強化一致，但峰值有所降低，而且峰值區域減少很多。同時溫度整體分布更加均勻。另外，考慮到此時電化學反應釋放的熱量更多，這說明雙重強化流道在優化熱特性方面具有優勢，有利于改善電池的熱管理。

以電池整體為研究對象，雙重強化流道電池整體的縱切面溫度分布情況如圖9 所示。

圖9 電池縱切面溫度分布圖

從圖9 中可以看出，采用雙重強化流道的電池縱向整體溫度呈現出從上下集電板到質子交換膜逐漸升高的趨勢。另外，陰極多孔層的溫度比陽極多孔層略高，這主要是因為在PEMFC 中，陽極側發生的是弱吸熱的氫氧化反應，陰極側發生的是強放熱的氧還原反應。

2.3 雙重強化流道對PEMFC 性能的影響

分別對4 種流道PEMFC 的性能進行模擬分析，具體對比如圖10 所示。

圖10 分別采用4種流道時的電池性能

由圖10 可知，相較于直流道，采用橫向強化流道能夠一定程度提升電池的性能，橫向1～3 中隨著橢圓擋塊尺寸的減小及擋塊的增多，電池內部的氣體傳輸得到強化，進一步改善了電池性能。其中，橫向3 性能提升8.8%，縱向強化流道相比直流道性能略有下降；基于雙重強化流道的電池性能有大幅提升，這主要得益于兩個方向的強化傳質效應耦合強化了反應氣體到電池多孔介質層的擴散，有效提升了電化學反應速率，這與上文關于傳質傳熱功能的分析結果相一致。結果表明，雙重強化1 的性能更優，功率密度達到0.61 W/cm2，相較于直流道提升28.7%。此時橫向最優結構參數：長軸為1 mm，短軸為0.2 mm 的橢圓弧陣列；縱向最優結構參數：0.2、0.6 mm 高的擋塊陣列。

3 結論

本文建立了三維、穩態、非等溫的質子交換膜燃料電池(PEMFC)模型，在驗證模型可靠性的基礎上，通過模擬仿真研究了橫向和縱向雙重強化流道對電池內部傳質傳熱特性及電池性能的影響，可為PEMFC 流道設計提供有益參考。

研究結果表明橫向與縱向耦合的雙重強化流道具有如下功能優勢：(1)有效地提升電池內部的氣體流速，強化氣體的擴散傳質過程，顯著增加多孔層中的氧氣濃度，提高電化學反應速率；(2)改善產物水的吹掃排出；(3)優化電池溫度分布的均勻性，改善電池熱管理。

在最優結構參數下，雙重強化流道相較于直流道能夠使電池的輸出性能提升28.7%。