基于默里定律设计的PEMFC阴极分配器研究_靳遵龙.pdf

2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-16基金项目：国家自然科学基金项目(21676257)作者简介：靳遵龙(1973)，男，河南省人，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为微尺度气液两相传递强化及燃料电池技术。通信作者：韩旭，E-mail：基于默里定律设计的PEMFC阴极分配器研究靳遵龙1，韩旭1，霍东方2，刘杨2(1.郑州大学 机械与动力工程学院，河南 郑州 450001；2.华能河南中原燃气发电有限公司，河南 郑州 450001)摘要：为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)中流道内气体分布的均匀性，对燃料电池的流道分配器的结构进行了研究。结果表明：传统的分配器结构会导致通道间的压降差异较大，氧气分布的均匀性差，电池输出功率低。随着增加分配器主通道的宽度，压降差异有所减小，氧气分布的均匀性略有提高。而基于默里定律设计的新型分配器结构可以提高15.67%的通道压降和79.48%的氧气分布均匀性，电池的输出功率也提高约25.2%。最后通过计算推导表明：增加流场中的平均压降和减少通道间的压降差异可以改善气体分布的均匀性。关键词：燃料电池；默里定律；分配器中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0353-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.018Studyof PEMFCcathodedistributor designed basedonMurrayslawJIN Zunlong1,HAN Xu1,HUO Dongfang2,LIU Yang2(1.School of Mechanical and Power Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou Henan 450001,China;2.Huaneng Henan Zhongyuan Gas Power Generation Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450001,China)Abstract:To improve the uniformity of gas distribution in the proton exchange membrane fuel cell(PEMFC),the structure of the fuel cells distributor was studied.The results show that the conventional distributor leadsto large differences in pressure drop between channels,poor uniformity of oxygen distribution and low outputpower.With increasing the distributor width,the difference of pressure drops decreases and the uniformity ofoxygen distribution slightly improves.The new distributor designed based on Murrays law can improve thechannel pressure drop by 15.67%and the oxygen distribution uniformity by 79.48%,the output power of fuelcell is also increased by 25.2%.Finally,the derived calculations show that increasing the average pressuredrop in the flow field and reducing the pressure drop difference between channels can improve the uniformityof gas distribution.Key words:fuel cell;Murrays law;distributor由于环境污染和能源危机，近年来人们已经开始寻求一些清洁高效的能量来源。其中氢能因具有储量大、环境友好的优点被认为是未来能源发展的主要方向。PEMFC作为氢能的应用装置一直被人们所关注。随着对 PEMFC的深入研究，流动均匀性被许多研究者认为是判断 PEMFC 高效运行的重要指标之一，科学合理的流场设计可以改善 PEMFC 中的不均匀分布1-3。常见的PEMFC流场有：平行流场、蛇形流场、交叉流场和仿生流场等4。其中蛇形流场和交叉流场虽具有良好的均匀性和水管理能力，但所需的压降过高，会产生巨大的寄生功率；仿生流场对工艺精度要求高，难以量产。在平行流场中存在严重的流动分布不均匀性现象，这对于燃料利用率和电化学反应速率都是十分不利的。近年来，为了提高 PEMFC 平行流场中流动分布的均匀性，人们开展了一系列的研究工作。其中谭雅巍等5通过实验分别研究流道的深度、宽度以及数量对电池均匀性的影响，结果表明，增加流道的深度和数量可以减小流道内的浓差极化，提升流动分布的均匀性。Kandlikar 等6设计出一种新型分布器结构，通过压降测量技术对流道内的流动分布进行监测，结果表明，使用新型分配器后，流道内的液态水含量减少，氧气分布的均匀性提升。Wang等7通过分析Z型流场的压力和动量，将流场入口重新设计为U型结构，结果表明，新型入口结构可以提高通道内氧气的质量流量和均匀性，增加电池的输出功率。Zhang等8通过矩阵方程的形式研究了通道形状对流量分布的影响，结果表明通过改变平行通道的截面积，可以获得均匀的流场分布。Saco等9模拟计算了四种不同结构的蛇型流场，分析蛇型通道的曲折变化与液态水分布的关系，结果表明，直折线通道结构可以使催化层内的液态水分布最均匀，具有最佳的水管理能力，电流密度和功率密度最高。在 PEMFC 平行流场中，流场结构对流动分布的均匀性有很大影响，但关于分配器与均匀性的研究非常少。本文在COMSOL软件中建立四种分配器模型，通过讨论电池性能、氧气浓度和压降分布，研究分配器对流动均匀性的影响，并提出提高流动均匀性的方法。3532023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计表 1 材料参数和操作参数 参数 数值 GDL 渗透率 KGDL/m2 1.761011 CL 渗透率 KCL/m2 1.761011 GDL 孔隙率GDL/%60 CL 孔隙率CL/%40 GDL 电导率 GDL/(Sm1)500 CL 电导率 CL/(Sm1)1 500 GDL 有效热导率 effGDL/W(mK)1 1.7 CL 有效热导率 effCL/W(mK)1 25 定压比热 cp/J(kgK)1 573 膜电导率 mem/(Sm1)10.5 膜有效热导率 effmem/W(mK)1 2 阳极电化学计量数 a 1.2 阴极电化学计量数 c 2.0 阳极电荷转移系数 a 0.5 阴极电荷转移系数 c 0.25 活性比表面积 AV/(m2m3)1107 阳极平衡电位 Va/V 0 阴极平衡电位 Vc/V 1.19 参考交换电流密度 J0/(Acm2)0.6 阳极气体动力粘度 a/(Pas)1.101105 阴极气体动力粘度 c/(Pas)1.881105 H2参考浓度 cH2/(molm3)56.4 O2参考浓度 cO2/(molm3)3.39 H2-H2O 扩散系数 DH2-H2O/(m2s1)1.08104 O2-H2O 扩散系数 DO2-H2O/(m2s1)3.32105 N2-H2O 扩散系数 DN2-H2O/(m2s1)3.02105 O2-N2扩散系数 DO2-N2/(m2s1)2.82105 1 模型计算1.1 物理模型与分布器设计PEMFC 平行流场模型由 5部分组成：阳极集流体、阳极气体扩散层(GDL)、阳极催化层(CL)、质子交换膜、阴极 CL、阴极 GDL和阴极集流体。图1是模型的结构示意图，其中箭头为流动方向，紫色区域为分配器。模型的整体尺寸为 58mm48 mm3.545 mm，电化学反应区域为50 mm48 mm，通道宽度为 2 mm，通道深度为 1 mm，通道数为 16，肋宽为 1mm，GDL、CL和膜的厚度分别为0.25、0.01和0.025 mm。图 2为四种分配器模型图。其中模型 1 为传统分配器，干路通道宽度与支路通道宽度相同。模型 2和模型3分别为干路通道宽度增加两倍和三倍。模型4为基于默里定律设计的新型分配器。默里定律是生物学家 Hess-Murray在研究人体血液循环系统过程中提出的，即当血管从干路分叉到支路时，干路半径的立方等于各支路半径的立方总和。该结构既可以保证血管的稳定性，又能保证生物体在代谢和物质转运过程中受到的阻力最小10。1.2 模型假设与数学方程本文中的PEMFC模型是在COMSOL软件中建立的三维非等温稳态模型。假设该模型的生成水为液态；流道内的反应气体可视为理想气体，流动方式为层流；GDL、CL 和膜各向同性，所有气体都无法渗透过膜；集流体与气体扩散层之间完全接触，忽略装配压力。质量守恒方程：t+(v)=Sm(1)式中：为气体密度；t为时间；v为速度矢量；Sm为连续项的源项，下标m为反应物质。动量守恒方程：(v)t+(vv)=-p+()+Sp+Sm.kv(2)式中：p为压力；为应力张量；Sp为达西阻力源项。组分守恒方程：(-Dici)+u ci=Si(3)其中：Si=|SH2=-Ja2 FSO2=+Jc4 FSH2O=-Jc2 F(4)Ja=J0(cH2crefH2)1/2(a+cRTFa)(5)Jc=-J0(cO2crefO2)exp(-cRTFc)(6)式中：J0为参考交换电流密度；a和c分别为阳极和阴极催化层中的电荷转移系数；为过电位；F为法拉第常数；R为理想气体常数；T为温度。能量守恒方程：(cpT)t+(cpvT)=(effT)+SQ(7)式中：cp为定压比热；eff为有效热导率；SQ为热量源项。PEMFC模型中，部分材料参数与操作参数如表1所示。1.3 边界条件与模型验证图3表示的是PEMFC模型1和实验结果11的极化曲线比对图。其中模型 1 的工作温度为 338.15 K，阳极和阴极的入口流量分别为 4.787 4107和1.424 8106m3/s，工作压力为0.4 MPa，入口气体的加湿温度为65，氢气和空气的相对湿度均为 80%，与实验的操作参数一致。极化曲线的最大差值图1PEMFC平行流场模型结构示意图图2四种分配器示意图3542023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计为6.2%，表明模拟结果与实验结果具有良好的一致性。在网格无关性验证中，PEMFC模型的电化学反应区域采用六面体矩形网格划分，在 0.5 V 的工作电压下，最佳的网格数量为185 500。2 结果分析2.1 电池性能图4为四种模型的电池极化曲线和功率密度曲线图。通过观察极化曲线可以发现，当工作电压大于0.8 V时，四条曲线基本重合，分配器对电池影响较小。这是因为在高工作电压下，电化学反应速率慢，电池对氧气的消耗量少，四种分配器结构都能满足电化学反应对氧气的需求。随着工作电压的降低，电池对氧气的消耗量增大，四条极化曲线的差异也逐步增大。当工作电压为0.3 V时，电流密度均达到最大值。在功率密度曲线中，模型1的功率密度峰值最小，为0.699 W/cm2。模型2和模型3的峰值分别为0.734和0.743 W/cm2。模型4的功率密度峰值最大，为0.875 W/cm2。这表明，在相同的入口条件下，传统分配器会导致电池性能差，输出功率低，增加分配器干路宽度可以使电池性能略有提升，而使用新型分配器可以使功率密度峰值提高约25.2%。2.2 氧气分布图5为四种模型中阴极CL的