迷宫式新型流道对质子交换膜燃料电池的性能优化

李楠, 张瑾辉, 徐瑞阳

(燕山大学车辆与能源学院, 秦皇岛 066000)

基于如期实现碳达峰、碳中和的大背景下,寻找合适的可再生能源代替传统化石燃料已成为大势所趋,氢能成为中国发展实现碳中和的重要手段。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有能量转化率高、能量密度大、噪音低以及零排放等优点,目前已经成为国内外对于新能源探索的焦点[1-3]。

流道作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一,传统流道主要有直流道、平行流道、蛇形流道等,这种常规流场的研究和优化已经比较深入,其优缺点也很明显[4-6]。应用仿生学原理设计的新型流道能够提高燃料电池的整体性能,已经广泛的被学者接受[7]。Huang等[8]基于肠膜上的动脉及其分支结构特征设计了一种新型仿生流场,得到了这种流场改进了液滴的动态传输特性,减少了液滴在弯管处堆积,缩短了液滴在流场中的输送时间,提高了除水能力。Li等[9]提出了一种雪花形状的仿生流道,其在泵送功率方面有着其他较大的优越性。Zhang等[10]以人体肋骨为流道设计灵感,通过与传统叉指型流道相对比,输出电压为0.4 V时电流密度提升4.95%,同时具有更均匀的温度分布。Wang等[11]提出了一种鱼骨状流道,结果显示,这种流道通过增强肋下对流,展示出了更好的反应物均匀性和水饱和度分布。Hie等[12]模仿银杏叶设计出的新型流道,在相同情况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]根据莲花的独特结构设计出莲花状流道。其中布置的莲花形堵块可以有效降低流道内水的覆盖率,具有低阻力和高抗腐蚀的特性。Zhang等[14]提出了一种蜂巢状的仿生流道,能够有效改善气体分布的均匀性,电流密度也得到有效提升。

综上所述,仿生流道在PEMFC的物质传输、改善温度分布以及辅助功率减小等方面都能发挥积极作用。但以往的研究中对于PEMFC流道的仿生对象主要来源于植物与动物,对于非生物结构的仿生相对较少。现在以往研究的基础上,提出一种仿迷宫式的新型流道,通过构建三维等温的单相数值模型,探索该迷宫式新型流道对于PEMFC的性能优化,以扩大仿生概念在PEMFC中流道设计的应用,并对PEMFC的生产设计提供一定的理论指导。除此以外,该流道设计在探究质子交换膜燃料电池多参数的协同影响和电堆的整体性能提升提供新的研究方向。

1 PEMFC数值模拟

1.1 几何模型

采用的物理模型为PEMFC直流道三维模型,具体结构如图1所示。模型的主要构成自下而上依次是阳极流道、阳极气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)、阳极多孔电极层、质子交换膜、阴极多孔电极层、阴极GDL和阴极流道。其中反应气体从中心第一圆环进入PEMFC,从四角流出。模型主要参数如表1[10,15-16]所示。

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

图1 单流道PEMFC模型示意图

1.2 数学模型

1.2.1 模拟假设

在建立模型的过程中,在综合考虑仿真计算的效率和结果的精确性,对模型进行了以下基本假设[17-20]：①PEMFC工作在稳态、等温、单相条件下;②忽略重力对PEMFC的影响;③反应气体均为不可压缩的理想气体;④流体为层流流动且不可压缩(马赫数小于0.3);⑤GDL、多孔电极层和质子交换膜被认为是均匀分布和各向同性的。

1.2.2 控制方程

基于上述模型假设,结合PEMFC的实际运行情况,主要控制方程分别为[17,21-22]

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

(2)

能量守恒方程为

(3)

式(3)中：CP为定压比热容,J/(kg·K);T为工作温度,K;Keff为有效热导率,W/(m·K);SQ为能量源项,W/m3。

组分守恒方程为

(4)

电流守恒方程为

∇(σs∇φs)+Rs=0

(5)

∇(σm∇φm)+Rm=0

(6)

式中：σs为固相电导率,S/m;σm为膜相电导率,S/m;φs为固相电势,V;φm为膜相电势,V;Rs为固相区的体积转移电流;Rm为膜的体积转移电流。

电荷守恒方程为

∇(Keff∇φ)=S

(7)

式(7)中：Keff为电导率,S/m;φ为电势,V;S为体积传输电流源项,W/m3。

Butler-Volmer方程为

(8)

式(8)中：j0为交换电流密度,A/m2;α为传输系数;n为反应中传输电子数;F为法拉第常数,C/mol;λ为活化损失,V;R为理想气体常数,J/(mol·K);I为正向净电流密度,A/m2。

1.2.3 边界条件

在流道入口边界,指定入口流速分布为层流流入,出口处指定标准大气压为边界条件。沿GDL和多孔电极边界设定为对称边界条件。其他所有壁边界都应用了无滑移边界条件[18]。阳极集流体的电压设置为0,阴极集流体的电压设置为0.95 V。在数值计算过程中,阴极电压的值在0.95～0.8 V,步长为0.05 V,在0.8 ～0.4 V步长为0.1 V。

2 模型有效性验证与网格无关性验证

2.1 模型有效性验证

为了验证所采用的模型准确性,通过与Berna等[18]提出的三维等温模型相验证,出口压力为标准大气压,工作温度为80 ℃,保持相同的GDL孔隙率,在相同的边界条件下,选择极化曲线作为验证标准。从图2可以看出,模拟结果与Berna等[18]的实验结果基本吻合,最大相对误差控制在合理范围内。因此,所得到的模拟结果是准确可靠的。

图2 模型有效性验证

2.2 网格无关性验证

为了进一步保证本文数值结果的准确性,针对本文PEMFC模型分别采用335 072、538 448、819 152、1 027 760不同网格数量进行了数值计算,图3显示的是4种不同网格数量在电池输出电压为0.4 V时所对应的电流密度值。如图3所示,当网格数分别为819 152和1 027 760时,计算结果误差在0.5%以内,综合考虑计算时间和计算精度后,选择网格数量为819 152进行后续计算。

图3 不同网格数量计算结果误差分析

3 结果与讨论

3.1 PEMFC的输出性能

电流密度是评价PEMFC性能优劣的重要指标之一,而极化曲线是PEMFC在一定工况下综合性能的反映,是描述PEMFC性能的直观体现。在同一电压下,电池的电流密度越大,表明PEMFC可以产生更大的功率。

图4为3种不同流道的极化曲线和功率密度曲线。当工作电压降低至0.8 V时,3种不同流道产生的电流密度开始出现不同的趋势,从大到小依次为圆形交错式流道、矩形交错式流道和蛇形流道。当工作电压小于0.6 V时,3种不同流道产生的极化曲线开始出现明显不同。这是因为在高工作电压时,电池内部发生的反应主要是活化极化和欧姆极化,其电化学和反应动力学速度基本一样,在低工作电压时,尤其是0.5 V后,圆形交错式流道产生的电流密度要远高于传统蛇形流道。这主要得益于圆形交错式流道的环形结构能够更好地传输反应气体,极大地减少了浓差极化所带来的损失。在工作电压为0.4 V时,圆形交错式流道比矩形交错式流道和蛇形流道的电流密度分别提高25%、143%。此外,功率密度的变化趋势与电流密度为正相关,因此3种流道的功率密度曲线和极化曲线具有相同的趋势。

图4 不同流道极化曲线和功率密度曲线

3.2 流道内氧和水分布

流道中反应气体的浓度和均匀性是判断流道性能优劣的关键标准。图5描述的是工作电压为0.4 V时3种不同流道氧摩尔分布。在3种流道中显而易见的是氧的摩尔浓度从进口到出口都在不断减小,其中圆形交错式流道明显高于蛇形流道。由于交错式设计的原因,使得前两种流道氧的高摩尔区域主要分布在气体扩散层中间区域。在PEMFC中,为了提高氢的利用率,一般情况下阴极流道通入的氧是过量的。在本文模拟设置初始条件时,也考虑了这种实际情况。从图5中可以看出,圆形交错式流道和矩形交错式流道在氧分布方面更加均匀,而蛇形流道在出口区域氧的浓度较低。为了进一步分析3种流道在反应物分布方面的不同,Liu等[23]提出不均匀指数E,可表示为

(9)

图5 0.4 V电压下不同流道氧摩尔分布

通过式(9)计算出3种不同流道的阴极GDL/催化层(catalytic layer, CL)界面处的氧气平均浓度和不均匀指数E。如图6所示。圆形交错式流道中氧摩尔分数的平均值均明显高于其他矩形交错式流道和蛇形流道,而不均匀指数E则远小于其他两种流道。矩形交错式流道处在中间位置,蛇形流道则于圆形交错式流道相反。可以看出,圆形交错式流道由于其特殊的仿生流道结构和流场中心的进气方式,可以提高氧气消耗速率,加速燃料电池内部电化学反应,提高燃料电池燃料利用率。

图6 0.4 V电压下阴极GDL/CL界面氧气平均浓度及不均匀指数曲线

图7描述的是0.4 V电压下不同流道水摩尔分布。可以看出,流道中水和氧的摩尔分布呈相反的趋势,并且沿着反应物流动的路径水摩尔浓度越来越高。这是因为靠近进气口的地方氧气流道速度较快,氧气的流动可以带走一部分水。将图7中3种流道进行对比可以得出结论,圆形交错式流道相较于其他两种流道具有一定的结构优势,可以更有利于水的分布和输运,降低发生“水淹”现象的可能性。

图7 0.4 V电压下不同流道水摩尔分布

3.3 阴极进气流速对性能的影响分析

不同的参数对质子交换膜燃料电池的性能影响很大[24-25]。阴极进气流速不仅影响电池内各组分的传输,对质子交换膜燃料电池的整体效率也尤为重要,因为较高的阴极气体流速需要更多的辅助功率。图8中阴极流速从0.2 m/s增大至0.4 m/s,工作电压为0.4 V时电流密度由1.02 A/cm2增大至1.26 A/cm2,增幅高达23.53%;但阴极流速从0.4 m/s增至0.6 m/s,电流密度仅增加0.05 A/cm2,增幅3.97%。阴极流速的增加虽然带来了电流密度的增加,但这种增加是不利于质子交换膜燃料电池整体能源效率的提升。

图8 不同阴极流速下圆形交错式流道极化曲线

图9为0.4 V电压下5种不同阴极流速的圆形交错式流道压降和输出功率对比。从图9中可以看出,随着阴极流速的增加,阴极流道进出口压降逐渐增加,其中阴极流速为0.6 m/s时压降最大,其值为23.71 Pa;而阴极流速为0.2 m/s时的压降为5.64 Pa,仅为最大值的23.79%,这说明了压降随着阴极流速的增大而增大。从图9中还可以看出,阴极流速的增加也可以有效提升质子交换膜燃料电池输出功率。其中阴极流速为0.6 m/s时,输出功率最大,其值2.1 W。结合图8和图9可知,阴极流速的增加可以提升质子交换膜燃料电池的电流密度和输出功率,但也会带来更大的压降和额外的辅助功率。因此,在性能的提升和损耗的增加这两方面需要综合考虑。

图9 0.4 V电压下不同阴极流速的压降和输出功率

4 结论

提出一种基于迷宫结构的仿生流道,以实现提高质子交换膜燃料电池性能的目的。通过数值模拟研究了圆形交错式流道、矩形交错式流道和蛇形流道对质子交换膜燃料电池性能的影响并分析了输出性能、氧和水的分布等。得到以下主要结论。

(1)在电池性能方面,圆形交错式流道在0.4 V电压时电流密度为1.26 A/cm2,相较于矩形交错式流道和蛇形流道时的电流密度分别提高25%、143%。

(2)在氧和水分布方面,圆形交错式流道由于其独特的结构能够使氧分布更加均匀,不均匀指数E为1.56。同时,还可以明显的改善流道内水的分布和输运,减少“水淹”发生的可能性。

(3)在不同阴极进气流速方面,阴极进气流速的增加可以带来更好的电流密度和输出功率,但同时也带来更大的压降和额外的辅助功率。把握好平衡才能获得更好的质子交换膜燃料电池性能。