迷宮式新型流道對質子交換膜燃料電池的性能優化

李楠, 張瑾輝, 徐瑞陽

(燕山大學車輛與能源學院, 秦皇島 066000)

基于如期實現碳達峰、碳中和的大背景下,尋找合適的可再生能源代替傳統化石燃料已成為大勢所趨,氫能成為中國發展實現碳中和的重要手段。質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有能量轉化率高、能量密度大、噪音低以及零排放等優點,目前已經成為國內外對于新能源探索的焦點[1-3]。

流道作為質子交換膜燃料電池的關鍵部件之一,傳統流道主要有直流道、平行流道、蛇形流道等,這種常規流場的研究和優化已經比較深入,其優缺點也很明顯[4-6]。應用仿生學原理設計的新型流道能夠提高燃料電池的整體性能,已經廣泛的被學者接受[7]。Huang等[8]基于腸膜上的動脈及其分支結構特征設計了一種新型仿生流場,得到了這種流場改進了液滴的動態傳輸特性,減少了液滴在彎管處堆積,縮短了液滴在流場中的輸送時間,提高了除水能力。Li等[9]提出了一種雪花形狀的仿生流道,其在泵送功率方面有著其他較大的優越性。Zhang等[10]以人體肋骨為流道設計靈感,通過與傳統叉指型流道相對比,輸出電壓為0.4 V時電流密度提升4.95%,同時具有更均勻的溫度分布。Wang等[11]提出了一種魚骨狀流道,結果顯示,這種流道通過增強肋下對流,展示出了更好的反應物均勻性和水飽和度分布。Hie等[12]模仿銀杏葉設計出的新型流道,在相同情況下功率密度比平行流道高40%,也具有更好的除水能力。Xie等[13]根據蓮花的獨特結構設計出蓮花狀流道。其中布置的蓮花形堵塊可以有效降低流道內水的覆蓋率,具有低阻力和高抗腐蝕的特性。Zhang等[14]提出了一種蜂巢狀的仿生流道,能夠有效改善氣體分布的均勻性,電流密度也得到有效提升。

綜上所述,仿生流道在PEMFC的物質傳輸、改善溫度分布以及輔助功率減小等方面都能發揮積極作用。但以往的研究中對于PEMFC流道的仿生對象主要來源于植物與動物,對于非生物結構的仿生相對較少?，F在以往研究的基礎上,提出一種仿迷宮式的新型流道,通過構建三維等溫的單相數值模型,探索該迷宮式新型流道對于PEMFC的性能優化,以擴大仿生概念在PEMFC中流道設計的應用,并對PEMFC的生產設計提供一定的理論指導。除此以外,該流道設計在探究質子交換膜燃料電池多參數的協同影響和電堆的整體性能提升提供新的研究方向。

1 PEMFC數值模擬

1.1 幾何模型

采用的物理模型為PEMFC直流道三維模型,具體結構如圖1所示。模型的主要構成自下而上依次是陽極流道、陽極氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL)、陽極多孔電極層、質子交換膜、陰極多孔電極層、陰極GDL和陰極流道。其中反應氣體從中心第一圓環進入PEMFC,從四角流出。模型主要參數如表1[10,15-16]所示。

表1 模型主要參數[10,15-16]Table 1 Main parameters of the model[10,15-16]

圖1 單流道PEMFC模型示意圖

1.2 數學模型

1.2.1 模擬假設

在建立模型的過程中,在綜合考慮仿真計算的效率和結果的精確性,對模型進行了以下基本假設[17-20]：①PEMFC工作在穩態、等溫、單相條件下;②忽略重力對PEMFC的影響;③反應氣體均為不可壓縮的理想氣體;④流體為層流流動且不可壓縮(馬赫數小于0.3);⑤GDL、多孔電極層和質子交換膜被認為是均勻分布和各向同性的。

1.2.2 控制方程

基于上述模型假設,結合PEMFC的實際運行情況,主要控制方程分別為[17,21-22]

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

式(3)中：CP為定壓比熱容,J/(kg·K);T為工作溫度,K;Keff為有效熱導率,W/(m·K);SQ為能量源項,W/m3。

組分守恒方程為

(4)

電流守恒方程為

?(σs?φs)+Rs=0

(5)

?(σm?φm)+Rm=0

(6)

式中：σs為固相電導率,S/m;σm為膜相電導率,S/m;φs為固相電勢,V;φm為膜相電勢,V;Rs為固相區的體積轉移電流;Rm為膜的體積轉移電流。

電荷守恒方程為

?(Keff?φ)=S

(7)

式(7)中：Keff為電導率,S/m;φ為電勢,V;S為體積傳輸電流源項,W/m3。

Butler-Volmer方程為

(8)

式(8)中：j0為交換電流密度,A/m2;α為傳輸系數;n為反應中傳輸電子數;F為法拉第常數,C/mol;λ為活化損失,V;R為理想氣體常數,J/(mol·K);I為正向凈電流密度,A/m2。

1.2.3 邊界條件

在流道入口邊界,指定入口流速分布為層流流入,出口處指定標準大氣壓為邊界條件。沿GDL和多孔電極邊界設定為對稱邊界條件。其他所有壁邊界都應用了無滑移邊界條件[18]。陽極集流體的電壓設置為0,陰極集流體的電壓設置為0.95 V。在數值計算過程中,陰極電壓的值在0.95～0.8 V,步長為0.05 V,在0.8 ～0.4 V步長為0.1 V。

2 模型有效性驗證與網格無關性驗證

2.1 模型有效性驗證

為了驗證所采用的模型準確性,通過與Berna等[18]提出的三維等溫模型相驗證,出口壓力為標準大氣壓,工作溫度為80 ℃,保持相同的GDL孔隙率,在相同的邊界條件下,選擇極化曲線作為驗證標準。從圖2可以看出,模擬結果與Berna等[18]的實驗結果基本吻合,最大相對誤差控制在合理范圍內。因此,所得到的模擬結果是準確可靠的。

圖2 模型有效性驗證

2.2 網格無關性驗證

為了進一步保證本文數值結果的準確性,針對本文PEMFC模型分別采用335 072、538 448、819 152、1 027 760不同網格數量進行了數值計算,圖3顯示的是4種不同網格數量在電池輸出電壓為0.4 V時所對應的電流密度值。如圖3所示,當網格數分別為819 152和1 027 760時,計算結果誤差在0.5%以內,綜合考慮計算時間和計算精度后,選擇網格數量為819 152進行后續計算。

圖3 不同網格數量計算結果誤差分析

3 結果與討論

3.1 PEMFC的輸出性能

電流密度是評價PEMFC性能優劣的重要指標之一,而極化曲線是PEMFC在一定工況下綜合性能的反映,是描述PEMFC性能的直觀體現。在同一電壓下,電池的電流密度越大,表明PEMFC可以產生更大的功率。

圖4為3種不同流道的極化曲線和功率密度曲線。當工作電壓降低至0.8 V時,3種不同流道產生的電流密度開始出現不同的趨勢,從大到小依次為圓形交錯式流道、矩形交錯式流道和蛇形流道。當工作電壓小于0.6 V時,3種不同流道產生的極化曲線開始出現明顯不同。這是因為在高工作電壓時,電池內部發生的反應主要是活化極化和歐姆極化,其電化學和反應動力學速度基本一樣,在低工作電壓時,尤其是0.5 V后,圓形交錯式流道產生的電流密度要遠高于傳統蛇形流道。這主要得益于圓形交錯式流道的環形結構能夠更好地傳輸反應氣體,極大地減少了濃差極化所帶來的損失。在工作電壓為0.4 V時,圓形交錯式流道比矩形交錯式流道和蛇形流道的電流密度分別提高25%、143%。此外,功率密度的變化趨勢與電流密度為正相關,因此3種流道的功率密度曲線和極化曲線具有相同的趨勢。

圖4 不同流道極化曲線和功率密度曲線

3.2 流道內氧和水分布

流道中反應氣體的濃度和均勻性是判斷流道性能優劣的關鍵標準。圖5描述的是工作電壓為0.4 V時3種不同流道氧摩爾分布。在3種流道中顯而易見的是氧的摩爾濃度從進口到出口都在不斷減小,其中圓形交錯式流道明顯高于蛇形流道。由于交錯式設計的原因,使得前兩種流道氧的高摩爾區域主要分布在氣體擴散層中間區域。在PEMFC中,為了提高氫的利用率,一般情況下陰極流道通入的氧是過量的。在本文模擬設置初始條件時,也考慮了這種實際情況。從圖5中可以看出,圓形交錯式流道和矩形交錯式流道在氧分布方面更加均勻,而蛇形流道在出口區域氧的濃度較低。為了進一步分析3種流道在反應物分布方面的不同,Liu等[23]提出不均勻指數E,可表示為

(9)

圖5 0.4 V電壓下不同流道氧摩爾分布

通過式(9)計算出3種不同流道的陰極GDL/催化層(catalytic layer, CL)界面處的氧氣平均濃度和不均勻指數E。如圖6所示。圓形交錯式流道中氧摩爾分數的平均值均明顯高于其他矩形交錯式流道和蛇形流道,而不均勻指數E則遠小于其他兩種流道。矩形交錯式流道處在中間位置,蛇形流道則于圓形交錯式流道相反?？梢钥闯?圓形交錯式流道由于其特殊的仿生流道結構和流場中心的進氣方式,可以提高氧氣消耗速率,加速燃料電池內部電化學反應,提高燃料電池燃料利用率。

圖6 0.4 V電壓下陰極GDL/CL界面氧氣平均濃度及不均勻指數曲線

圖7描述的是0.4 V電壓下不同流道水摩爾分布?？梢钥闯?流道中水和氧的摩爾分布呈相反的趨勢,并且沿著反應物流動的路徑水摩爾濃度越來越高。這是因為靠近進氣口的地方氧氣流道速度較快,氧氣的流動可以帶走一部分水。將圖7中3種流道進行對比可以得出結論,圓形交錯式流道相較于其他兩種流道具有一定的結構優勢,可以更有利于水的分布和輸運,降低發生“水淹”現象的可能性。

圖7 0.4 V電壓下不同流道水摩爾分布

3.3 陰極進氣流速對性能的影響分析

不同的參數對質子交換膜燃料電池的性能影響很大[24-25]。陰極進氣流速不僅影響電池內各組分的傳輸,對質子交換膜燃料電池的整體效率也尤為重要,因為較高的陰極氣體流速需要更多的輔助功率。圖8中陰極流速從0.2 m/s增大至0.4 m/s,工作電壓為0.4 V時電流密度由1.02 A/cm2增大至1.26 A/cm2,增幅高達23.53%;但陰極流速從0.4 m/s增至0.6 m/s,電流密度僅增加0.05 A/cm2,增幅3.97%。陰極流速的增加雖然帶來了電流密度的增加,但這種增加是不利于質子交換膜燃料電池整體能源效率的提升。

圖8 不同陰極流速下圓形交錯式流道極化曲線

圖9為0.4 V電壓下5種不同陰極流速的圓形交錯式流道壓降和輸出功率對比。從圖9中可以看出,隨著陰極流速的增加,陰極流道進出口壓降逐漸增加,其中陰極流速為0.6 m/s時壓降最大,其值為23.71 Pa;而陰極流速為0.2 m/s時的壓降為5.64 Pa,僅為最大值的23.79%,這說明了壓降隨著陰極流速的增大而增大。從圖9中還可以看出,陰極流速的增加也可以有效提升質子交換膜燃料電池輸出功率。其中陰極流速為0.6 m/s時,輸出功率最大,其值2.1 W。結合圖8和圖9可知,陰極流速的增加可以提升質子交換膜燃料電池的電流密度和輸出功率,但也會帶來更大的壓降和額外的輔助功率。因此,在性能的提升和損耗的增加這兩方面需要綜合考慮。

圖9 0.4 V電壓下不同陰極流速的壓降和輸出功率

4 結論

提出一種基于迷宮結構的仿生流道,以實現提高質子交換膜燃料電池性能的目的。通過數值模擬研究了圓形交錯式流道、矩形交錯式流道和蛇形流道對質子交換膜燃料電池性能的影響并分析了輸出性能、氧和水的分布等。得到以下主要結論。

(1)在電池性能方面,圓形交錯式流道在0.4 V電壓時電流密度為1.26 A/cm2,相較于矩形交錯式流道和蛇形流道時的電流密度分別提高25%、143%。

(2)在氧和水分布方面,圓形交錯式流道由于其獨特的結構能夠使氧分布更加均勻,不均勻指數E為1.56。同時,還可以明顯的改善流道內水的分布和輸運,減少“水淹”發生的可能性。

(3)在不同陰極進氣流速方面,陰極進氣流速的增加可以帶來更好的電流密度和輸出功率,但同時也帶來更大的壓降和額外的輔助功率。把握好平衡才能獲得更好的質子交換膜燃料電池性能。