扩散层孔隙率对平行流场PEMFC性能影响研究_熊牡.pdf

第 40 卷第 4 期Vol.40No.4重庆工商大学学报(自然科学版)J Chongqing Technol Business Univ(Nat Sci Ed)2023 年 8 月Aug.2023扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 性能影响研究熊牡，何仕荣，张勇，叶云涛上海理工大学 机械工程学院，上海 200093摘要:为了研究扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池的性能影响，采用计算流体动力学商业软件 ANSYS Fluent在不同扩散层孔隙率(03、05、07)的条件下，对传统平行流场和斜坡平行流场的性能曲线、气体浓度分布、液态水分布进行数值模拟分析;结果表明:在高电位下各案例对应的性能差异较小，在中低电位性能差异较大，随着扩散层孔隙率越大，质子交换膜燃料电池性能越好，且孔隙率在 0305 时电流密度增长率最大，最大可达 903%;当扩散层孔隙率较高时，有利于反应气体穿过扩散层，使得催化层氧气浓度增大，促进了燃料电池内部的电化学反应;随着扩散层孔隙的增大，能够更有效地促进反应气体的传输，流道内水含量越高，越有利于液态水的排出;相比传统平行流场，斜坡平行流场电池性能更好，氧气分布更均匀，流道中气体流速更大，排水效果更好，且孔隙率为07时电流密度增长率最大，最大可达 2879%。关键词:质子交换膜燃料电池;孔隙率;斜坡;数值模拟中图分类号:TK91文献标识码:Adoi:10.16055/j.issn.1672058X.2023.0004.003收稿日期:20220413修回日期:20220521文章编号:1672058X(2023)04001906基金项目:上海科技委员会资助项目(19060502300)作者简介:熊牡(1997)，男，硕士研究生，从事质子交换膜燃料电池设计与优化研究通信作者:何仕荣(1964)，男，教授，从事精密加工与先进制造、新能源技术、同步设计制造研究Email:shironghe bentekcomcn引用格式:熊牡，何仕荣，张勇，等扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 性能影响研究J 重庆工商大学学报(自然科学版)，2023，40(4):1924XIONG Mu，HE Shirong，ZHANG Yong，et alInfluence of diffusion layer porosity on PEMFC performance in parallel flow fieldJJournal of Chongqing Technology and Business University(Natural Science Edition)，2023，40(4):1924Influence of Diffusion Layer Porosity on PEMFC Performance in Parallel Flow FieldXIONG Mu，HE Shirong，ZHANG Yong，YE YuntaoSchool of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，ChinaAbstract:In order to study the effect of diffusion layer porosity on the performance of proton exchange membrane fuelcell，the performance curves，gas concentration distribution and liquid water distribution of traditional parallel flow fieldand slope parallel flow field were numerically simulated and analyzed by using computational fluid dynamics commercialsoftware ANSYS Fluent under the conditions of different diffusion layer porosity(03，05 and 07)The results showedthat the performance difference of each case was small at high potential，and the performance difference was large atmedium and low potential The greater the porosity of the diffusion layer，the better the performance of proton exchangemembrane fuel cell When the porosity was 0305，the maximum growth rate of current density was 903%When theporosity of the diffusion layer is high，it is conducive for the reaction gas to pass through the diffusion layer，whichincreases the oxygen concentration in the catalytic layer and promotes the electrochemical reaction in the fuel cell Withthe increase of the pores in the diffusion layer，it can more effectively promote the transmission of reaction gas The higherthe water content in the channel，the more conducive to the discharge of liquid water Compared with the traditionalparallel flow field，in the slope parallel flow field，the cell performance is better，the oxygen distribution is more uniform，重庆工商大学学报(自然科学版)第 40 卷the gas flow rate in the flow channel is greater，the drainage effect is better，and the current density growth rate is thelargest at a porosity of 07，up to 2879%Keywords:proton exchange membrane fuel cell;porosity;slope;numerical simulation1引言当前，由于化石能源的大量消耗，造成了温室效应、大气污染、酸雨等环境问题，因此，节能减排已经成为我国经济社会发展的主要问题1。PEMFC 作为一种利用化学能直接转化为电能的高效转换器，不同于传统热机受卡诺循环热效应的制约，其能量转换效率高、能量密度大、启动速度快、运行温度低、运行噪声低、产品无污染，是 21 世纪最理想的替代能源之一2。为了研究燃料电池的相关性能问题，大量的专家学者做了许多相关研究。Kanai 等3 使用响应面法使单个 PEMFC 的输出功率最大化。Yang 等4 基于双喷射器再循环的 PEMFC，研究喷射器操作条件对燃料电池性能的影响，结果表明，通过提高运行压力可以显著提高 PEMFC 的性能。Zhang 等5 进行了大规模多相模拟，证实对于氧气和氢气的逆流，冷却水的流向设计为与氧气相同，有利于提高燃料电池的性能。Flipo 等6 测试了具有不同润湿性的通道材料，验证流道表面湿润度对燃料电池的影响。李英等7 通过研究 PEMFC阴极扩散层厚度、接触角和渗透率等对水淹的影响。Mojica 等8 对 3 种流场设计进行了对比研究，结果表明，直线平行流场、多蛇形流场和单通道蛇形流场在干燥条件和低电流密度下表现相似，平行通道设计在潮湿条件下表现不佳，多通道蛇形流场在潮湿条件下表现最佳。Atyabi 等9 提出了一种蜂窝阴极通道，并基于三维 PEMFC 模型研究了燃料电池的传输特性。模拟结果表明，蜂窝通道改善了气体扩散层和催化层交界处的压力和温度分布，并有利于液态水的排出。Yin等10 研究了添加到流道中的挡板对 PEMFC 传质和性能的影响，结果表明，与没有挡板的通道相比，在流道中添加挡板增强了垂直方向的对流传质。Perng 等11 使用有限体积 SIMPLE-C 算法分析了 PEMFC 的输出性能并对流道经行改进，研究发现，新型流道的性能比直流道高 8%。综合上述文献可知，为了提高质子交换膜燃料电池性能，对其进行了大量的数值计算与实验研究，通过改变操作条件、进气方式、冷却水排布及流场结构优化等，都可以对燃料电池内部的传质、反应气体分布、排水及电池性能都有着积极的影响，从而有效的提升了燃料电池性能。然而气体扩散层是质子交换膜燃料电池核心组件的重要组成部分，一般由多孔材料组成，具有良好的导电性能，并起到传递反应气体、电子传导、支撑催化层、改善水热管理等重要作用，是影响燃料电池性能的关键部件之一12。孔隙率是体现气体扩散层性能的重要指标，直接影响反应气体的传输及反应生成液态水的排出。因此，基于计算流体动力学商业软件 ANSYS Fluent 分别在不同扩散层孔隙率的条件下，对传统平行流场和斜坡平行流场进行了模拟仿真，研究扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 性能影响。2数值模型21物理模型燃料电池结构为传统平行流场和斜坡平行流场结构，基于有限元仿真软件 Fluent 建立了 PEMFC 物理模型如图1 所示，模型参数如表 1 所示。计算域由阴阳两极集流板、流场、扩散层、催化层和质子交换膜组成。为了研究扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 的性能影响，设计了 6 种不同扩散层孔隙率(=03，05，07)的传统平行流场(Case 1Case 3)和斜坡平行流场(Case4Case 6)。计算过程中所用到的参数如表2 所示。图 1PEMFC 几何模型Fig.1Geometric model of PEMFC表 1PEMFC 的主要几何参数Table 1Main geometric parameters of PEMFC几何参数/mm传统平行流场(Case 1/2/3)斜坡平行流场(Case 4/5/6)集流板长度5050集流板宽度5050集流板高度250流道宽度W=1W=1流道高度H1=1，H2=1H1=1，H2=03气体扩散层厚度0202催化层厚度001001质子交换膜厚度00500502第 4 期熊牡，等:扩散层孔隙率对平行流场 PEMFC 性能影响研究表 2PEMFC 的主要操作参数Table 2Main operating parameters of PEMFC参数数值工作温度/K353工作压力/Pa101 325相对湿度/%100扩散层孔隙率03/05/07扩散层渗透率/m21181011催化层渗透率/m22361012扩散层电导率/(Sm1)222催化层电导率/(Sm1)1 000膜电导率/(Sm1)9825氢/氧/水比热容/(kg1K1)14 283/9193/2 014氢/氧/水热导率/(W m1K1)0167 2/0024 6/0026 1阴极/阳极化学计量数12/2阴极/阳极粘度/(PaS)246105/119105阴极/阳极参考电流密度/(Am2)0008 8/24 511阴极/阳极浓度系数