PEMFC 燃料供給系統(tǒng)壓力分布的影響分析

摘要：改善燃料供給系統(tǒng)壓力對電池系統(tǒng)性能的影響，對PEMFC 商業(yè)化進程具有重要意義。通過商業(yè)軟件FLUENT 實現(xiàn)數(shù)值模擬計算，提出在流道內(nèi)部放置不同結(jié)構(gòu)形狀的增壓結(jié)構(gòu)，以控制燃料供給壓力，對比分析其對電池性能的影響；提出單獨在陽極流道增加陽極增壓結(jié)構(gòu)的壓力降控制方法，該方法能顯著提高電池性能，電池功率密度對比傳統(tǒng)的蛇形流道提高0.4%～1.2%。

關鍵詞：燃料電池；流道結(jié)構(gòu)；增壓結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)優(yōu)化

中圖分類號：TM911.42 收稿日期：2023-01-31

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.016

1 前言

燃料電池作為汽車行業(yè)新能源開發(fā)的一項重要技術(shù)，對于汽車電動化進程的推廣、實現(xiàn)國家“碳中和”戰(zhàn)略決策具有十分重要的意義［1］。而在整個質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)中，燃料供給系統(tǒng)的壓力分布在電池的各子系統(tǒng)中占有重要的地位。目前，實現(xiàn)對燃料供給系統(tǒng)的壓力控制主要是通過極板結(jié)構(gòu)的設計法來實現(xiàn)的，Zeng 等［2］通過遺傳算法（GA）優(yōu)化了氣體流場的橫截面，并提出了一種新的梯形橫截面通道。與基本的方形通道設計相比，梯形通道導致內(nèi)部反應物分布更均勻，該優(yōu)化設計的電流密度增加了10.92%。He 等［3］設計了一系列S 形流場，實驗結(jié)果表明，當陰極中30%相對濕度時，與傳統(tǒng)平行流場相比S 形流場的性能提高了15%。Kumar 等［4］在0.5 V 的恒定電壓下比較了傳統(tǒng)蛇形和帶錐形通道的蛇形的性能。結(jié)果表明，錐形通道將最大功率提高了17%，尤其是在較低電壓表現(xiàn)出更好的性能。Wang 等［5］建立了錐形流道，結(jié)果表明錐形流場可以有效改善高電流密度下的PEMFC 水管理。Tiss等［6］設計了一種具有不同矩形阻塞的新型氣體流場，并發(fā)現(xiàn)通道中的阻塞可以有效改善PEMFC 性能。

在本文中，通過仿真試驗設置了在流道內(nèi)部放置不同形狀的增壓結(jié)構(gòu)設計，改變?nèi)剂瞎┙o壓力對電池性能的影響，并創(chuàng)新性地提出了在陰陽兩極流道內(nèi)部單獨放置增壓結(jié)構(gòu)的設計顯著提高了電池性能，為PEMFC 系統(tǒng)性能優(yōu)化提供了新的依據(jù)。

2 模型搭建

2.1 流道結(jié)構(gòu)

本文所用的PEMFC 系統(tǒng)仿真模型是基于蛇形流道的基礎上建立的模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)表1［7］所示。流道層結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)的蛇形流道，包含一個入口和一個出口，燃料從流道入口進入系統(tǒng)參與反應，未反應完全的燃料和生成物從流道出口流出。

本文在蛇形流道的中間分別放置三種類型的增壓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)都阻擋了極板內(nèi)部流道截面的50%。其中第一種結(jié)構(gòu)在本文中簡稱類型一，其余兩種情況類似簡稱。類型一結(jié)構(gòu)是在流道正中間位置的右側(cè)位置放置一個截面為矩形的障礙物，其長為0.6 mm，寬為1 mm；類型二是在流道正中間位置的右下角放置一個截面為直角三角形的障礙物，其底為1.2 mm，高為1 mm；類型三是在流道正中間位置的上半部分放置一個截面為矩形的障礙物，其長為1.2 mm，寬為0.5 mm。具體流道截面形狀尺寸如圖1 所示。

式中，E 為開路電壓，V；T 為溫度，K；ΔG0 為吉布斯自由能的變化量，J；PH2、PO2、PH2O 為氫氣、氧氣、水蒸氣的分壓。

3 結(jié)果與討論

3.1 增壓結(jié)構(gòu)形狀的影響分析

依據(jù)表2 運行參數(shù)進行了仿真試驗。對三種類型的流場設計以及傳統(tǒng)蛇形流場進行仿真實驗，分析三種增壓結(jié)構(gòu)設計對系統(tǒng)性能是否起到改善作用，仿真結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知系統(tǒng)輸出功率統(tǒng)計表可知：類型一的流場設計整體上比傳統(tǒng)蛇形流場的性能要好；類型二高電位下性能和蛇形流場到相差無幾，而在低電位下性能變差；類型三的流場設計的性能則比蛇形流場差，所以類型一的流場結(jié)構(gòu)設計能夠提高電池系統(tǒng)性能。

3.2 增壓結(jié)構(gòu)位置的影響分析

從上文可以知道，類型一的流場結(jié)構(gòu)設計仿真得到的系統(tǒng)性能較好，接下來分析陽極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)、陰極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)與陰陽極同時放置增壓結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能變化情況。圖3 為兩種結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖4 所示為陽極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)、陰極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)與陰陽極同時放置增壓結(jié)構(gòu)的電流密度對比和系統(tǒng)輸出功率對比。從圖中可知，在同一個電壓下，陽極放置增壓結(jié)構(gòu)的流場設計的電流密度和功率大多優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)，這說明其電池系統(tǒng)性能優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)，且這三種結(jié)構(gòu)設計的性能都優(yōu)于傳統(tǒng)蛇形流場，所以陽極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)的流場設計是較優(yōu)的。通過數(shù)值模擬計算，相比經(jīng)典的蛇形流道，在陽極單獨放置矩形增壓結(jié)構(gòu)的流道在同一組運行參數(shù)下，電池功率密度提高了0.4%～1.2%。由此可見，在陽極內(nèi)部放置半塊矩形形狀，能改善PEMFC 流道內(nèi)部壓力，使流道內(nèi)部催化層氫氣的分布更加均勻，從而提高電池的系統(tǒng)性能。

4 結(jié)語

本文通過對PEMFC 實現(xiàn)建模和仿真分析，有如下結(jié)論：

本文設置的增壓結(jié)構(gòu)在流道內(nèi)部能直接影響到氣體的擴散作用，增大流道內(nèi)部的壓力，提高氫氣在流道層的流速，使更多的氫氣擴散到催化層，提高反應物的濃度。

本文提出的三種結(jié)構(gòu)中，類型一和類型三均提高了系統(tǒng)的最大輸出功率，其中類型一的效果較好，針對類型一的增壓結(jié)構(gòu)做進一步的研究發(fā)現(xiàn)，陽極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)所起到的優(yōu)化作用比陰極單獨放置和陰陽極同時放置增壓結(jié)構(gòu)的效果更好，這是因為陽極通入的為純氫氣，增壓結(jié)構(gòu)所起到的作用更明顯。在本文的仿真試驗中，通過在陽極單獨放置增壓結(jié)構(gòu)能夠提高電池功率密度0.4%～1.2%，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

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作者簡介：

李樂西，男，1995 年生，助教，研究方向為燃料電池。