泡沫金屬在PEMFC流場中的應(yīng)用

王翠表,孫 峰,蘇丹丹,董小平

(河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院,河北 保定 071000)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由質(zhì)子交換膜(PEM)、催化層(CL)、氣體擴散層(GDL)和雙極板(BP)等組成。雙極板兩側(cè)的流場形式?jīng)Q定反應(yīng)氣體的流動狀態(tài),合理的流場結(jié)構(gòu)可增強反應(yīng)氣體的傳質(zhì),提高電池的輸出性能[1-2]。與傳統(tǒng)流場相比,泡沫金屬作為流場,可增加反應(yīng)氣體與GDL的接觸面積,改善氣體分布狀況,提高反應(yīng)氣體利用率[3]。D.G.Kang等[4]設(shè)計具有不同孔隙率梯度的金屬泡沫流場,發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的泡沫金屬流場相比,具有孔隙度梯度的PEFMC的凈功率密度提高了8.23%。R.L.Liu等[5]利用泡沫鎳流場,提高反應(yīng)氣體擴散的均勻性,將電池的峰值功率密度提升到1.89 W/cm2,與石墨蛇形流場相比,提高約6%。J.Son等[3]將泡沫金屬與蛇形流場相結(jié)合,以促進(jìn)反應(yīng)氣體在整個流場中的流動,并通過改變蛇形流場的流道數(shù)量來控制金屬泡沫流場長度。泡沫金屬流場和雙流道的蛇形流場相結(jié)合時,PEMFC在0.5 V下的電流密度提高4.7%。

本文作者建立以泡沫金屬為陰極流場的三維單相等溫PEMFC模型,對不同陰極流場GDL上的氧氣摩爾分布進(jìn)行數(shù)值分析,詳細(xì)分析陽極和陰極化學(xué)計量比對具有泡沫金屬陰極流場的PEMFC中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)及極化曲線的影響。

1 PEMFC模型建立

1.1 物理模型

在PEMFC中,反應(yīng)氣體從流場流入GDL到達(dá)CL,在催化作用下,氫氣發(fā)生氧化反應(yīng),失去電子成為質(zhì)子。電子通過外電路到達(dá)陰極,質(zhì)子通過PEM到達(dá)陰極,與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)。

反應(yīng)氣體的快速傳輸及均勻分布,對電化學(xué)反應(yīng)速率和均勻性的提升具有顯著作用。雙極板兩側(cè)的流場結(jié)構(gòu)決定反應(yīng)氣體的流動通路,合理的流場結(jié)構(gòu)對強化PEMFC內(nèi)反應(yīng)氣體的傳輸、提升電化學(xué)反應(yīng)速率尤為重要。

用TESCAN MIRA LMS掃描電子顯微鏡(捷克產(chǎn))觀察孔隙率為0.97的泡沫銅(江蘇產(chǎn),規(guī)格為100 m×20 mm×1 mm)的形貌,結(jié)果見圖1。

圖1 孔隙率為0.97的泡沫銅的SEM圖Fig.1 SEM photographs of Cu foam with porosity of 0.97

從圖1可知,泡沫金屬銅具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu),為反應(yīng)氣體提供了流通空間,有利于反應(yīng)氣體的均勻分配。

建立具有平行流場模型的三維PEMFC,包括PEM、CL、GDL、平行流場和雙極板等,如圖2所示。

圖2 三維PEMFC的幾何模型Fig.2 Geometric model of three-dimensional(3D) proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)

為分析陰極流場對PEMFC傳質(zhì)、輸出性能的影響,建立平行、波浪形、蛇形以及泡沫金屬陰極流場,幾何模型見圖3。雙流道平行流場與泡沫金屬流場的對比見圖4。

圖3 4種陰極流場的幾何模型Fig.3 Geometric model of four cathode flow fields

圖4 泡沫金屬流場與平行流場對比Fig.4 Comparison of metal foam and parallel flow fields

從圖3、圖4可知,與常規(guī)流場結(jié)構(gòu)相比,泡沫金屬流場摒棄了“流道-肋板”結(jié)構(gòu),使反應(yīng)氣體的流通面積得到提高。

PEMFC模型的幾何參數(shù)和運行參數(shù)見表1。

表1 PEMFC幾何模型參數(shù)Table 1 Parameters of PEMFC geometry model

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒方程:

式(1)中:ε為多孔介質(zhì)孔隙率;ρ為反應(yīng)氣體混合物密度;t為時間;為反應(yīng)氣體混合物速度矢量;Sm為質(zhì)量源項。

動量守恒方程:

式(2)中:p為反應(yīng)氣體壓力;μ為反應(yīng)氣體動力黏性系數(shù);Su為動量源項。

能量守恒方程:

式(3)中:cp為定壓比熱容;T為反應(yīng)溫度;keff為有效熱導(dǎo)率;SQ為能量源項。

組分傳輸方程:

式(4)中:ck為組分濃度;Deff為組分有效擴散系數(shù);Si為組分源項。

電荷守恒方程:

式(5)-(6)中:σsol、σmem分別為固相和膜相電導(dǎo)率;Φsol、Φmem分別為固相和膜相電勢;Ssol、Smem分別為固相電勢與膜相電勢的源項。

Butler-Volmer方程:

式(7)-(8)中:j為電流密度;jref為參考體交換電流密度;c為濃度;cref為參考濃度;α為傳遞系數(shù);η為過電壓;下標(biāo)a、c分別代表陽極、陰極;e為自然底數(shù);R為理想氣體常數(shù);F為法拉第常數(shù)。

1.3 模型驗證

為驗證PEMFC模型建立和仿真方法的有效性,用文獻(xiàn)[6]中的幾何參數(shù)建立PEMFC模型,并使用相同的操作參數(shù)模擬極化曲線。將仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比,結(jié)果見圖5。

圖5 極化曲線的對比Fig.5 Comparison of polarization curves

從圖5可知,兩條極化曲線變化規(guī)律一致,說明仿真與實驗數(shù)據(jù)吻合度高,驗證了PEMFC模型建立及仿真方法的有效性和可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同陰極流場模型中氧氣分布對比

氧氣在GDL及CL中的分布狀態(tài)對電化學(xué)反應(yīng)的均勻性至關(guān)重要。工作電壓為0.4 V時,陰極電化學(xué)計量比及陽極電化學(xué)計量比均為2,4種流場模型中GDL的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)見圖6。

圖6 不同陰極GDL中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)Fig.6 Oxygen molar fraction in different cathode gas diffusion layer(GDL)

從圖6可知,在4種流場中,隨著電化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行,氧氣摩爾分?jǐn)?shù)均沿流動方向降低。平行流場與波浪形流場的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布規(guī)律基本一致;蛇形流場曲折結(jié)構(gòu)不利于氧氣向GDL的傳質(zhì),且在拐角處的壓力損失較大,導(dǎo)致GDL中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)呈梯度降低。

在3種傳統(tǒng)流場中,氧氣主要分布在流道對應(yīng)的GDL區(qū)域,肋板對應(yīng)的GDL區(qū)域中,氧氣摩爾分?jǐn)?shù)幾乎為零,原因是傳統(tǒng)流場中的肋板嚴(yán)重阻礙了氧氣向GDL的傳輸。泡沫金屬流場GDL中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)更高且分布更均勻,與平行流場、波浪形流場以及蛇形流場相比,泡沫金屬流場GDL中的平均氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分別提高了39.43%、39.89%和136.72%。這是由于泡沫金屬的多孔結(jié)構(gòu)可降低傳質(zhì)阻力,增加了反應(yīng)氣體與GDL之間的接觸面積。

2.2 不同陰極流場PEMFC的極化曲線

4種流場模型的極化曲線見圖7。

圖7 4種流場模型的極化曲線Fig.7 Polarization curves of four flow field models

從圖7可知,在4種流場模型中,泡沫金屬作為陰極流場時,PEMFC的輸出性能最佳;蛇形流場作為陰極流場時,輸出性能最差;平行和波浪形流場作為陰極流場時,輸出性能相似。當(dāng)工作電壓為0.30 V時,平行流場、波浪形流場、蛇形流場和泡沫金屬流場模型的電流密度分別為1.607 7 A/cm2、1.610 7 A/cm2、1.260 9 A/cm2和1.750 6 A/cm2。與其他3種模型相比,泡沫金屬為陰極流場的PEMFC,電流密度分別提高了8.89%、8.69%和38.84%。

2.3 化學(xué)計量比對PEMFC性能的影響

化學(xué)計量比是燃料電池的重要操作參數(shù)之一。當(dāng)泡沫金屬流場模型的陽極化學(xué)計量比ζa=1.5、2.0、2.5、3.0和陰極化學(xué)計量比ζc=1.5、2.0、2.5、3.0時,不同化學(xué)計量比對PEMFC極化曲線的影響見圖8。

圖8 不同化學(xué)計量比泡沫金屬流場模型PEMFC的極化曲線Fig.8 Polarization curves of PEMFC model with metal foam flow field with different stoichiometric ratios

從圖8(a)可知,PEMFC的輸出性能隨著ζa的增加而逐漸提高。當(dāng)ζa較低時,提高化學(xué)計量比,可提高PEMFC的輸出性能;當(dāng)ζa較高時,化學(xué)計量比對PEMFC性能的影響較弱。工作電壓為0.25 V時,PEMFC電流密度在ζa=3.0時,為2.095 3 A/cm2,比ζa=1.5時高51.80%。

當(dāng)ζa由1.5增加至3.0時,相鄰ζa之間電流密度的差值分別為0.427 9 A/cm2、0.233 6 A/cm2和0.053 5 A/cm2。ζa在1.5和2.0之間時,對PEMFC的性能影響最大。從圖8(b)可知,提高ζc對燃料電池性能的提升有限,ζc=3.0時的電流密度為1.809 5 A/cm2,僅比ζc=1.5時提高了0.16%。

為探究ζa和ζc對PEMFC性能影響的差異,對比不同化學(xué)計量比下陽極和陰極GDL及CL中的平均反應(yīng)氣體摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)ζa從1.5提高到3.0時,GDL和CL中的平均氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分別提高41.02%和41.89%。當(dāng)ζc從1.5增加到3.0時,GDL和CL中的平均氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分別提高0.69%和0.89%。氫氣摩爾分?jǐn)?shù)的增加高于氧氣摩爾分?jǐn)?shù),是由于與陰極泡沫金屬流場相比,陽極的平行流場不利于氫氣擴散到GDL和CL。當(dāng)ζa增加時,氫氣入口速度得到提高,氫氣供給能力增加,GDL及CL中氫氣摩爾分?jǐn)?shù)明顯提高;當(dāng)ζc增加時,氧氣入口速度雖然得到提高,但由于泡沫金屬流場已顯著提高了GDL及CL中氧氣摩爾分?jǐn)?shù),使得進(jìn)氣速度的提升對氧氣傳輸影響較弱。

3 結(jié)論

本文作者建立了三維PEMFC模型,通過改變陰極流場結(jié)構(gòu),研究泡沫金屬、平行、波浪形及蛇形流場對燃料電池傳質(zhì)及輸出性能的影響。

研究結(jié)果表明,當(dāng)工作電壓為0.25 V時,以泡沫金屬為陰極流場的PEMFC的電流密度,比平行、波浪形和蛇形流場分別提高5.71%、5.31%和40.74%。增大陽極氫氣摩爾分?jǐn)?shù),能進(jìn)一步提高燃料電池的輸出性能。陽極化學(xué)計量比從1.5提高到3.0時,GDL和CL中的平均氫摩爾分?jǐn)?shù)分別提高41.02%和41.89%。