PEM燃料电池变径流道设计与仿真_梁修汪.pdf

年第 期 燃料电池变径流道设计与仿真梁修汪，方存光（沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁 沈阳 ）摘要：优化质子交换膜燃料电池（，）流场是强化电池物质传递、分布和提升输出性能的有效途径。通过建立新型流道模型，研究变径结构对阴极气体传质和电流密度的影响。结构表明，该变径流道能够明显提高流道出口附近区域的气体流速；流道内入口于出口间压差增大，有利于提高反应气体传递；强化了反应气体在流道于扩散层中的传质，能够提高在扩散层中的质量分数及的分布均匀性；改善了流道的排水性，降低催化界面水的质量分数；提升了反应界面整体电流密度，电流密度分布更加均匀。关键词：质子交换膜燃料电池；流道设计；电流密度中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），：；作者简介：梁修汪（），男，安徽省，汉，硕士，研究方向：质子交换膜燃料电池流场。引言质子 交 换 膜 燃 料 电 池（，）是一种通过催化反应把 和 的化学能转为电能并实现“零排放”的能量转换装置，其优点主要有无污染、高转换效率、高稳定性、燃料易得等人。主要由 膜 电 极（，）、双极板（，）等组成，而膜电极是阳极、质子交换膜、阴极的集合体。双极板中的气体流道（，）保证反应气体均匀分配至电极，合理的流场设计可强化 的物质传递和提高输出性能。等人设计出一种弯曲流道，结果表明通过弯折可提高流道排水能力，并降低流道压降，提升电池电流密度和功率密度。等 研究发现梯形结构提高电池输出性能显著。国内外研究人员针对燃料电池的流道研究呈现多样化趋势，添加挡板及改变流道内径开始成为新的研究方向。笔者针对单直流道，设计出一种变径流道结构，变径区域结构缩短了流道内径，改变了流道横截面积，分析该变径结构对电池内物质传质及输出性能的提升效果。建模 工作原理 主要以氢气作为阳极反应气体，以空气中的氧气作为阴极的烦反应气体。反应气体通过流道进入电池内部，流经扩散层到达催化层，在催化层的催化作用下，反应气体和分别在阳极、阴极进行氧化、还原反应。电极反应过程中产生的 和电子，分别通过质子膜和外电路传递至阴极，并生成无污染的水。的电极反应如下：阳极：阴极：单体电池总反应式：几何模型为研究变径结构对 的物质分布、传质特性和性能的影响，在能够实现多物理场耦合仿真软件 中进行仿真计算。几何模型如图所示。图变径流道流道DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.028内燃机与配件 阴极仿真条件假设为优化仿真计算结果，假设条件如下：电池稳态、恒温；反应气体为单相理想气体；流动的雷诺系数小于 ，不可压缩；多孔介质均为各向同性；忽略液态水的影响。模型控制方程（）质量守恒方程。（）（）式中，为质量源项（），为多孔介质的孔隙率，为气体的密度矢量（），为速度矢量（）。（）动量守恒方程。（）（），（）式中，为流动压强，为有效沾性 系 数，为 气相渗透率。（）浓度守恒方程。（）（，）（）式中，为组分的摩尔浓度（），为组分反应的转移电子数，为化学计量系数，为电流密度，为有效扩散系数。（）电化学反应方程。，（），（）（）式中，下标、分别代表阳极和阴极，为电子传递系数，为浓度参数，为催化层比表面积，为参考交换电流密度，为法拉第常 数，为 参 考 氢 质 量 分 数，为参考氧质量分数，为活化过电位。（）电位守恒方程。（，）（）（，）（）式中，为电解质的质子导电率，为固体的电子导电率。为电化学反应中带电粒子的得失速率，为电子的得失速率。阴极边界条件 模型的流道入口边界条件设置为质量分数边界，出口边界条件设置为压力边界。单变径流道流道模型仿真的参数见表。表仿真参数参数值电池温度 电池电压 参考气压 氢气入口质量分数 氧气入口质量分数 气体粘度 二元扩散系数 二元扩散系数 二元扩散系数 二元扩散系数 扩散层孔隙率 阳极传递系数阴极传递系数 仿真方案在阴极流道应用变径流道结构，左、右倾角相等，且均为 。建立单直流道和底边高度分别为 ，这三种仿真计算模型。研究流道在不同变径结构底边高度下对反应气体的传质和电流密度的影响。模型仿真验证单直流道物理模型几何参数与文献 相同，仿真条件设置一致，得出仿真结果，分析仿真极化曲线，如图所示。图仿真验证 极化曲线图表明，仿真与试验的电流密度曲线变化与文献几乎一致，验证了模型建立的可靠性。因此，变径流道模型的仿真结果对 相关研究具有一定的指导价值。图不同高度流道的速度分布（）仿 真 结 果 与分析 对 氧 气 流 速 分布影响由 图（）中 可知，气 体 流 速 在 流 道内 呈 中 心 分 布，流 道中心线处速度最大。由图可知，流道内 径 发 生 改 变，气 体流 动 受 到 阻 碍，提 高了变径区域以及与出口之间区域的氧气流速，有 助 于 氧 气 在 提高扩散层以及催化层区域的扩散传递，有利于加快反应界面电化学反应，提高 输出性能。图催化层界面氧气分布 对 氧 气 传 质影响仿真结果表明，在扩散层中氧气的含量逐渐增多，当 大 于 ，扩散 层 中 氧 气 的 含 量相 比 单 直 流 道 结 构有明 显 提 升。变 径流 道 结 构 有 助 于 强化 传 输，有 利 于提 高 在 扩 散 层 中 的质量分数。结合图可知，在 类 挡 板 结 构 区 域 年第 期的下方出现氧气聚集区。应用变径结构，有助于提高反应物浓度，强化物质传质，提高了气体分布均匀性，加快催化层的电极反应，增大阴极电流密度，提高 的输出性能。对水的传质影响根据图所示，流道域 质量分数较直流道总体上有所减小，尤其是变径结构与流道出口区域，水的质量分数变化比较明显。结合图所示的气体流速分布，类挡板变径结构底部区域气体流速过大，出口流速提升，能够及时排水，防止阴极出口侧“电极淹没”现象的发生。图催化层界面的分布应用变径流道结构流道的水的质量分数最大值与直流道相比，均有所降低，且随底边高高度的增大而逐渐降低，在大于 时，开始出现上升的趋势。结合气体流速分布以及氧气的分布可知，流道结构的改变对上述水的浓度变化起到主要影响作用，同时表面局部区域气体流速对局部物质浓度分布影响也较大。对电流密度的影响阴极侧电流密度受催化层的电化学反应影响，反应物在电极反应界面的分布直接影响着生成物的分布。图所示为扩散层与催化层界面的电流密度分布情况。比例尺中的负号表示电极正负，数值的绝对值大小代表电流密度的高低。图催化层界面电流密度分布（）扩散层与催化层界面的电流密度总体上提升许多，尤其是界面上下侧靠近出口的区域，电流密度提升十分明显；而中心区域电流密度亦提高许多，随着底边高度的增加，变径结构对界面电流密度的影响愈加显著。总结据仿真结果对比分析，得出以下结论：（）流道应用变径结构，能够明显提高流道中气体流速，加速反应气体的扩散速度，并提高物质的浓度，改善流道排水能力，提高电流密度等优点。（）变径结构底边高度越大，气体流速越快，流道出入口压降越大，氧气的质量分数越高，水的质量分数越低，电流密度更高。强化了物质传递速率，能够加快电极反应速率，电池输出性能最佳。（）仿真结果表明，缩短流道内径能够有效的提高物质传递特性，提高电池性能，为 结构优化提供了一定的参考价值。参考文献：，刘智，杜青，等 不同流场下进气对质子交换膜燃料电池性能的影响 工程热物理学报，（）：曹殿学，王贵领，吕艳卓燃料电池系统 北京：北京航空航天大学出版社 孙绍东，方存光，刘 杰 发动机冷却水套 分析改进沈阳理工大学学报，（），李子君，王树博，李微微，朱彤，谢晓峰波形流道增强质子交换膜燃料电池性能 清华大学学报（自然科学版），（），：，：，：，：，（）：，（）：