流道凸台对氢燃料电池发电性能提升路径研究*

郭朋彦，冉 朝，秦 飞，任 赟，康王冠

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.河南省新能源车辆热流电化学系统国际联合实验室，河南 郑州 450045）

随着环境污染、能源危机的不断加剧，氢能这一清洁无污染的人类社会“终极能源”被认为是解决环境与能源问题的必由之路。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将氢气、氧气的化学能直接转化为电和水的电化学装置，由于其功率密度高、工作温度低、噪声小、启动快、几乎零排放等优点，被认为是最有前途的发电技术之一，已被应用于许多领域，如汽车工业等。然而，目前仍有许多问题阻碍其进一步发展和广泛的商业化，如成本高、寿命短和发电性能较差等。

为了解决这些问题，合理地设计双极板流场进而提高燃料电池输出功率密度十分重要。许多学者对燃料电池双极板进行了设计优化，其中关于挡板或凸台的研究逐渐成为热点。Heidary等人研究了凸台完全堵塞和部分堵塞对传质效果的影响，研究结果表明：完全堵塞使得气体只能从扩散层跃过凸台，强化了传质效果，提升了发电性能。Arasy等人在仿生流场中加入挡板并对流场进行了仿真分析，结果表明挡板的存在使得氧气分布更加均匀，功率密度提高了18%。Cai等人受到墨鱼鳍的启发，开发了一种仿生波浪状凸台，通过对其振幅和周期的优化发现最优波形可提升2.2%的发电性能。大量的研究表明，流道内凸台可以增强燃料电池的传质效果，提升燃料电池的发电性能，然而关于凸台形状对燃料电池性能提升效果的研究仍然较少。

本文通过数值模拟的方法，建立了带有不同形状凸台的燃料电池三维模型，研究了凸台形状对燃料电池传质和发电性能的影响。

1 模型描述

1.1 几何模型

本文建立的燃料电池模型尺寸为50×3×4.7338mm，主要包括阴/阳极双极板、流道、扩散层、催化层及质子交换膜9个部分，如图1所示。其中，流道长度为50mm，宽度为3mm，流道宽度和深度均为1mm。在平滑流道的基础上分别增加截面形状为半圆、梯形和矩形的凸台，如图2所示，其中为流道深度，凸台的最大深度0.75mm，长度=1.5mm，=0.5mm，凸台的宽为1mm，其余尺寸及操作参数见表1。

图1 燃料电池几何模型

图2 不同结构的燃料电池流道模型

表1 模型几何尺寸及操作条件

1.2 模型假设

为了保证模拟的准确性，做出以下假设。

1）电池处于稳态、等温的运行状态。

2）涉及气体均为理想气体，不可压缩。

3）气体扩散层、催化层和膜化学性质均匀。

1.3 控制方程

燃料电池模型涉及的控制方程主要包括：质量、动量和能量守恒方程、组分守恒方程、电流守恒方程以及电化学守恒方程等。

1.3.1 质量守恒方程

1.3.2 动量守恒方程

式中：——静态压力；μ——动态粘度；——动量源项。

1.3.3 能量守恒方程

式中：——比热容；——有效热导率；——体积源项。

1.3.4 组分守恒方程

式中：——组分源项；——组分的体积分数；——混合物中组分的有效扩散系数。

1.3.5 电流守恒方程

上述公式是巴特勒-沃尔默函数的一般表述。其中，[H]和[O]分别是阳极催化剂层的氢气浓度和阴极催化剂层的氧气浓度，[H]和[O]是参考氢气浓度和参考氧气浓度，和分别是阳极和阴极体积参考交换电流密度，α和α分别是阳极和阴极转移系数，γ和γ分别是阳极和阴极浓度依赖指数，η和η分别是阳极和阴极过电位。

2 模型验证

细密的网格可以得到更准确的结果，但所需要的计算时间较长。为了在保证计算结果可靠的前提下节省计算资源，本文基于平滑流道燃料电池模型进行了网格无关性验证，结果如图3所示。通过对7种不同网格数量的模型进行仿真发现：当网格数达到487500时，计算结果与网格数无关。

图3 网格无关性验证及模型可靠性验证

为了验证本文所用模型的可靠性，将数值模拟结果与实验数据对比，如图3所示，结果发现两者能够较好地拟合，其中数值模拟中使用的几何模型、材料特性和操作条件均与实验保持一致，从而验证了模型具有一定的可靠性。

图3 测绝缘时绝缘表正常显示数

3 结果与分析

3.1 电池极化曲线

极化曲线是评价燃料电池发电性能的重要指标。4种不同流道凸台燃料电池的极化曲线如图4所示，燃料电池依次经历了活化极化、欧姆极化和浓差极化，其中造成浓差极化的主要原因是反应物的浓度变化。与平滑流道相比，带有凸台的流道显示出了更好的发电输出性能。其中矩形凸台流道带来的性能提升最高，在浓差极化区的0.3V时，燃料电池输出电流密度提升了9.87%。输出电流密度从大到小依次是：矩形凸台＞梯形凸台＞半圆形凸台＞平滑流道。

图4 不同流道的燃料电池极化曲线

3.2 氧气分布

燃料电池阴极氧气的分布是制约燃料电池反应速率的重要因素。图5显示的是4个燃料电池在0.5V电压下阴极扩散层和催化层交界面（GDL/CL）的氧气质量分布云图。从图5中可以看出，随着电化学反应的进行，4种流道内氧气质量分布从入口到出口逐渐减小。与平滑流道相比，带有凸台的流道内部氧气浓度更高，且在凸台附近发生骤增，从氧气浓度增强效果而言：矩形凸台＞梯形凸台＞半圆形凸台。由此可以看出，凸台流道内具有更高的氧气分布，而更多的氧气将直接提高电化学反应的速率，从而提高燃料电池的输出性能。

图5 阴极GDL/CL交界面质量分布云图

3.3 流动分析

图6为4个燃料电池阴极流道内的速度流线图，从中可以观察到，气体流经凸台时速度增加，凸台的存在使得气体流道的流通面积发生骤变，打破了气体平稳流动的状态，迫使氧气向扩散层的方向传输，并促进了氧气向双极板脊下扩散，从而增强了氧气的传质效果。

图6 不同流道内速度流线图

3.4 压力分析

流道内的压力分布如图7所示，从图7中可知，平滑流道内部压力均匀降低，而带有凸台的流道压力呈现阶梯状降低趋势，这是由于凸台的存在部分堵塞了流道，增加了氧气向后的流通阻力，使得凸台前后形成了一定的压力梯度，而较大的压力促进氧气更易扩散进入催化层；且进出口压差最大的是矩形凸台流道，其压降达到了321Pa，之后依次是梯形凸台流道和半圆凸台流道。由此可见，较大的压降提升了燃料电池内部传质效果，获得了更好的氧气分布，从而提高燃料电池的发电性能。

图7 不同流道内的压力分布

4 结论

本文通过在流道中加入不同截面形状的凸台，研究了凸台及其形状对燃料电池性能的影响，通过分析燃料电池极化曲线、氧气分布、气体流速以及流道压力，发现凸台部分堵塞了气体流道，改变了反应气体传输路径，同时造成流道内压强升高，进而促进了更多反应气扩散入催化层，而最终提升了燃料电池的发电性能。

1）与平滑流道相比，带有凸台的流道燃料电池具有更好的发电输出性能，其中矩形凸台流道性能提升最多。

2）凸台的存在提升了扩散入催化层氧气的质量分布，即改善了催化层的氧气分布，尤其是在凸台附近较为明显，从而提升了电池的发电性能。

3）凸台使气体流道的流通面积发生骤变，迫使氧气向扩散层的方向传输，并向双极板脊下扩散，从而提高了凸台流道的氧气分布。

4）凸台部分堵塞流道，增加了氧气的流道阻力和进出口压降，进而迫使更多的氧气扩散入催化层，进一步提升了凸台流道的氧气分布。