大面积双极板质子交换膜燃料电池仿真与实验_王国庆.pdf

2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期：2022-06-15基金项目：山西省科技重大专项(20181102019)；山西省高等学校科技成果转化培育项目(2020CG039)作者简介：王国庆(1996)，男，山西省人，硕士研究生，主要研究方向为燃料电池的仿真设计。通信作者：何振峰，王超大面积双极板质子交换膜燃料电池仿真与实验王国庆1，何振峰1，王超2，王学科3(1.中北大学 化学工程与技术学院，山西 太原 030051；2.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051；3.北京航天发射技术研究所，北京 100076)摘要：合适的流场能提高燃料电池性能以及燃料的利用率，仿真模拟可以作为流场板设计与优化的重要工具。通过Fluent软件，对509 cm2的大面积燃料电池进行了101和200 kPa两种不同操作压力下的数值模拟。仿真结果表明：在不同的操作压力下，燃料浓度沿流动方向均呈现出降低的趋势，并且随着操作压力的增加，各组件的气体分布均匀性更高，燃料电池的输出电流密度也越高。燃料电池仿真的极化曲线与实验结果吻合较好，该电池结构在燃料电池实际工程化应用方面具有一定的参考价值。关键词：燃料电池；膜；大面积双极板；仿真中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0075-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.017Simulation and experimental study on large area bipolar plate protonexchange membrane fuel cellWANG Guoqing1,HE Zhenfeng1,WANG Chao2,WANG Xueke3(1.School of Chemical Engineering and Technology,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China;2.College of Materials Science and Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China;3.Beijing Space Launch Technology Research Institute,Beijing 100076,China)Abstract:Appropriate flow field can improve fuel cell performance and fuel utilization rate.Simulation can be usedas an important tool for flow field plate design and optimization.Through the Fluent software,this paper carried outthe numerical simulation of the 509 cm2large area fuel cell at two different operating pressures of 101 kPa and 200kPa.Under different operating pressures,the fuel concentration shows a decreasing trend along the flow direction,and as the operating pressure increases,the gas distribution uniformity of each component is higher,and the outputcurrent density of the fuel cell is higher.The polarization curve of fuel cell simulation is in good agreement with theexperimental results,so the structure of proton exchange membrane fuel cell with large area bipolar plate in thispaper has a certain reference value in the practical engineering application of fuel cell.Key words:fuel cells;membrane;large area bipolar plate;simulation随着环境污染、温室效应与能源短缺的加剧，开发新型能源来替代传统化石燃料已经迫在眉睫。质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其低排放、高功率密度和快速响应等优点，被认为是未来最有前途的电源。但是，燃料电池的水和热管理这些棘手的问题制约了 PEMFC 商业化。Fluent 能够模拟仿真PEMFC中多维、多相、多尺度的动态复杂的传输现象及电化学反应过程。通过仿真可以得到在不同条件下的大面积 PEMFC 内部的流体流动状态、热传递、不同物质传输情况、电化学反应过程以及电流密度分布情况。当仿真出现故障时，可以找出模型的不合理性进而优化结构，从而降低研发成本1-8。由于计算效率和稳定性的限制，传统的 PEMFC 的三维模拟往往停留在单通道尺度上，忽略了商业 PEMFC 的真实流场结构。市场上实用意义的燃料电池，活性面积一般在300 cm2左右。现阶段对于这种大面积的燃料电池仿真相关报 道 并 不 多 见。Zhang 等9进 行 了 一 个 大 面 积 PEMFC(109.93 cm2)的仿真，对燃料电池在不同压力以及不同气体流向的工况下进行仿真，分析各通道内的气体浓度和液态水含量，发现增大操作压力可以显著提高反应气体浓度和膜含水量，从而提高PEMFC的性能。此外，氢气和空气的逆流布置有利于膜结构和电化学反应的均匀分布。Wang等10建立了一个活性面积200 cm2的多蛇形流道质子交换膜燃料电池模型，通过模拟计算，展示了对电池中反应物传输、电化学反应以及冷却剂通道中传热多种过程同时进行模拟的能力。随着燃料电池的迅猛发展，需要研发一些能够提供更大功率的燃料电池去提高其性能。大面积 PEMFC涉及到的零部件众多，通过仿真可以对其进行前期的设计计算和后期的校核计算，缩短PEMFC的研发周期，进而节约研发成本。752023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计本文对具有实际流场结构的全尺寸大面积(509 cm2)直流道 PEMFC 进行模拟，几何模型网格数超过 60 000 000，这么巨大的网格数量的仿真所需要的时间周期极长，到目前为止极其罕见。通过 ICEM 对 9 个不同组件进行单独的网格划分，最后合并成一个整体，将其导入 Fluent 中进行长期的仿真。研究了大面积直流道双极板在不同操作压力下的反应气体、水浓度、电流密度等的分布情况，并且结合实际测试，将研究结果应用于5 kW电堆的制作及运行管理，效果良好。1 模型描述1.1 模型假设燃料电池在实际工作过程中受到多重因素的影响，为了便于模拟计算，对燃料电池工作条件进行简化处理，并做出以下假设：(1)反应气体为理想气体，并且不可以压缩；(2)电池所用材料的热导率是常数；(3)电池结构中只考虑扩散层和集流板的接触电阻；(4)不考虑阳极过电势；(5)反应气不能渗透质子交换膜。本文中数学模型涉及质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程、电荷守恒方程11-15。质量守恒定律：()t+(?u)=0式中：、?u分别为密度、孔隙率、速度矢量。动量守恒方程：(?u)t+(?u?u)=-p+(?u)+Su式中：p、Su分别为压力、粘度、动量源项。组分守恒方程：(Ck)t+(Ck?u)=(DeffkCk)+Sk式中：Ck、Deffk、Sk分别为组分的浓度、有效扩散系数和源项；k为组分代码，在阴极分别代表氧气、水蒸气，在阳极分别代表氢气、水蒸气。电荷守恒方程：(eff)+S=0式中：eff、S分别为电导率、电势和电流源项。1.2 几何模型本文建立的几何模型基于实际的全电池结构，如图 1所示。单电池外形尺寸为 295 mm172 mm1.50 mm，其中：活性面积 509 cm2、流道深度 0.45 mm、宽度 0.1 mm、岸宽1 mm、集流板板板厚 0.2 mm、扩散层 0.2 mm、催化层 0.01 mm、膜厚0.02 mm。2 结果与讨论2.1 极化曲线对比实验基准工况边界条件为：阴阳极气体过量系数 2.0/1.2；相对湿度 RHa=80%，RHc=40%；电池温度 Tina=Tinc=353.15K；阴阳极出口工作压力 pa=pc=200 kPa。在以上边界条件下进行了电堆测试，得到了电堆的V-I曲线。在 101和 200 kPa 两种不同操作条件下，电池模拟 V-I曲线与实验V-I曲线进行对比，可见吻合良好，验证了模型的可靠性，如图 2所示。并且在 200 kPa这一较高的操作压力下，相同电压下的电流密度会更高。2.2 流场分析在不同的操作压力下，沿着流道方向，氢气和氧气的摩尔浓度总体趋势从进口处向出口处有所减少。本文中涉及的模型计算密度采用的是理想气体定律，并且随着操作压力的增加，阳极流道的氢气的均匀性会逐渐提高；而阴极流道中氧气分布较为均匀。在阴阳极催化层厚度1/2处截取平面进行分析(图3和图4)。在101 kPa下，阳极催化层表面氢气浓度从进口到出口有一个较明显的下降，从0.094 kmol/m3下降到0.004 kmol/m3；在200 kPa下，阳极催化层表面氢气浓度从0.107 kmol/m3下降到0.043 kmol/m3。并且在不同工作压力下，出口处都出现一个明显的变化，这是由于随着催化层反应的进行，生成的水量增加，在出口处淤积。而阴极催化层氧气分布的均匀性决定电池整体的均匀性。随着操作压力从 101 kPa增加到 200 kPa，电化学反应增大，需要消耗的氧气量成正比增加(从0.007 45 kmol/m3增加到0.013 3 kmol/m3)，阴极催化层的液态水含量也从 3.85增加到5.83，从入口到出口，液态水逐渐淤积，氧气浓度逐渐减小。操作压力越大，液态水含量越多，氧气浓度变化梯度越大。并且图1全电池几何模型结构示意图图2不同操作压力下电池模拟的性能曲线图3不同操作条件下阴阳极催化层的气体浓度762023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计随着操作压力的增加，电堆的气体分布均匀性更佳，膜的液态水含量增加，并且分布更均匀，这会使得质子交换膜的电导率更高，膜的电流密度也更均匀，从而减小了欧姆损失。燃料电池的水含量是影响其性能的关键性因素。图5中显示了在不同操作压力下的燃料电池水含量和电流密度。随着操作压力从101 kPa增加200 kPa，会降低参加化学反应所需的自由能，从而提高阴极氧气的活性，加快化学反应速率。最终导致膜的水含量增加(从 3.06增加到 4.67)，使膜进一步润湿，从而达到更好的导电效果，电流密度也从0.453 A/cm2提高到 0.706 A/cm2。因此在实际应用中，可以适当增加操作压力，电池性能更好。但是操作压力不应超过所选取膜的最大承受应力，因为操作压力越大，气体的流量就会随之增加，流量过高，则会导致反应气体将膜冲破，最终导致电堆漏气以及堆温过高等问题。3 模拟结果的工程应用用509 cm2大面积双极板组装电堆，如图6(a)所示。阴极湿度敏感度实验边界条件为：阴阳极气体过量系数 2.0/1.2；相对湿度 RHa=80%，RHc=20%/40%/80%；电池温度 Tina=Tinc=353.15 K；阴阳极出口工作压力 pa=pc=200 kPa。压力敏感度实验边界条件为：阴阳极气体过量系数 2.0/1.2；相对湿度R