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具有相交流场的质子交换膜燃料电池性能研究
摘要
在金属双极板上的相交流场的提出，旨在提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）的效率。计算流体动力学（CFD）方法被用来优化流道的详细构造。引入极化曲线，电流密度分布，氧分布和水质量分布作为标准，以帮助优化拟议的流场。组装了用于PEMFC的测试系统。 还提出了PEMFC测试的最佳工作参数。 引入单个蛇形流场作为评估新型流场效率的参考。 结果表明，相交流场的最佳流道深度和孔隙率分别为0.3 mm和0.5。 还根据测试实验获得了最佳操作参数，即氢气流量300 ml / min，空气流量500 ml / min和工作温度80°C。 对两个流场的比较测试表明，相交流场的性能确实优于单个蛇形流场。
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1.介绍
双极板上的流场结构对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能起着重要作用，而反应介质和产物的流动状态取决于流场的结构。 科学的流场设计可以优化反应介质的分布，显著提高PEMFC反应产物的排放能力[1]，并提高PEMFC的效率。因此，新颖的流场设计和传统流场的优化都是研究的重点。
图1 相交流场示意图
学者提出了具有针型，平行，叉指和蛇形结构的流场，以提高PEMFC的效率或延长其耐久性[2]。 郭等。[3] 研究了通过改变流场的几何结构来优化针型流场的方法，他们发现新颖的网络结构可以改善反应介质的均匀分布，并明显防止部分短路。 [4]研究了平行流场中流道的几何构型。 结果表明，流动通道的多重和较高密度可以减小双极板的入口和出口之间的压力降，从而可以进一步提高PEMFC的效率，然而，其排水能力降低，导致残留水淹没了流道，结果是反应介质不能均匀地分布在扩散层中。 崔等[5] 研究了具有不同几何特征的蛇形流场的温度，压力，水质量和电流密度的分布。 结果表明，压降和电流密度明显受流场几何结构的影响。 Baroutaji等[6,7]通过MATLAB仿真和实验研究了蛇形流场燃料电池的性能，讨论了在单个PEMFC中进行详细的反应。 他们发现工作温度会影响燃料电池的效率。 通常，蛇形流场在电流密度和排水方面具有优势。 但是，从入口到出口的压降太大，导致反应不均匀。他们还研究了指状流场的几何特性对PEMFC性能的影响[8-10]。结果显示，反应介质以适当的结构容易扩散至催化剂层，并且由于更好的传质能力，输出功率和电流密度得到明显提高。 约翰逊等[11]研究了流动通道的横截面结构对PEMFC效率的影响。 他们通过改变宽深比来控制流速，结果表明适当的流速可以促进催化过程并防止反应产物不希望的残留。
现在一种具有相交结构的新型流场被提出。 这种新型流场根据极化曲线，电流密度分布，氧分布（在扩散层和催化剂层之间的反应界面）和水的质量分布的结果，优化了PEMFC的几何结构和运行参数，并组装了用于PEMFC的测试系统以测试PEMFC的性能。我们分别制造了具有两个流场的金属双极板，并对新型相交和单蛇形流场进行了对比实验。
图2 默里定律示意图
图3 交叉流场模型（左）和网格划分后的单个PEMFC（右）
2.流场结构设计和CFD模型
2.1. 相交流场结构设计
相交结构广泛存在于自然界中，如血液循环系统，照明，植物体，叶脉等。这种结构是其在传质方面的优势，是进化的选择。从理论上讲，这种相交结构也适合于输送流体。本文采用具有相交结构的流道。此外，在流场的整体设计中也引入了分形理论，分形现象在自然界中也很普遍。也就是说，许多实体的几何结构都由许多基本元素组成。这些实体和基本元素始终拥有相似的几何圆形结构，那就是实体的自相似性，例如某些湖泊，植物，身体组织[12,13]。因此，这种自相似性也适合传递质量。
图1显示了基于上述自然现象或自然规律所提出的相交流场。这种相交结构的锐角是根据默里定律确定的。图2是穆雷定律的示意图，默里定律的关键点可以描述为母管直径（D 0）的立方值等于支管直径（D 1和D 2）的立方值之和，即 此外，在本文中，h 1等于h 2。有关计算过程的详细说明，请参见作者先前的出版物[14]。为简化起见，所述锐角可以描述为以下等式：
theta;=
为了确保流动通道具有理想的可加工性，我们设， 所以 ，然后可以通过以下公式计算锐角：
theta;=
2.2 CFD模型
我们引入计算流体动力学（CFD）方法来估计相交流场的性能，利用ANSYS中的FLUENT模块进行数值模拟。 由于PEMFC系统的复杂性，在一些基本假设的基础上进行了数值模拟。 在本文中，所有气体均被视为不可压缩的理想气体，PEMFC中的所有流体均被识别为层流。 多孔介质的所有材料被认为是均质的和各向同性的，假设通过强制对流传热效应可以完成PEMFC的冷却。
本文建立了单个PEMFC的模型。PEMFC由具有流场的阳极双极板，阳极扩散层，阳极催化剂层，质子交换膜（PEM），阴极催化剂层，阴极扩散层，和具有相同流场的阴极双极板组成。模型和网格划分由名为GAMBIT的软件完成，在两个流场中都使用了非结构化网格。网格划分后的模型中大约有60万个元素。图3显示了网格划分后的相交流场和单个PEMFC的模型，表1列出了PEMFC组件的详细尺寸。在仿真过程中，将PEMFC设置为在恒定温度和稳态下工作，PEMFC的所有固定壁都受到约束，以防止变形。选择工作电压作为自变量来讨论输出电流和功率。表2列出了模拟的详细参数。有关模型和模拟过程的其他详细信息，请参见附录A和作者先前的出版物[14]。在数值模拟过程中，计算总是在117次迭代后收敛。随后，读取结果并进行分析。
表1： PEMFC中每个组件的几何形状。
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组件 尺寸 /mm |
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阳极和阴极流场板 15*15*1 |
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阳极和阴极的扩散层 15*15*0.2 |
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阳极和阴极的催化剂层 15*15*0.05 |
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质子交换膜 15*15*0.1 |
表2：CFD模拟的详细参数
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参数幅度 幅度 |
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工作温度 |
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氢气流量 300 ml/min |
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空气流量 500 ml/min |
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空气加湿度 100% |
图4 不同通道深度的相交流场的极化曲线
3. 流道深度和孔隙率的优化
3.1流道深度的优化
流道深度对PEMFC中流体的传输和阻力的减小起着重要的作用[15]。 在当前的模拟中，设计了流动通道的矩形横截面，将流道宽度设置为0.6 mm。通过CFD仿真介绍了四种流道深度以讨论最佳流道深度，即0.2、0.3、0.4、0.5 mm，此外，还讨论了相关机制。 还引入极化曲线，电流密度分布，扩散层与催化剂层之间反应界面上的氧分布，PEM上的水质量分布，以估计不同流道深度下相交流场的性能。
3.1.1极化曲线
图4显示了四个流场的极化曲线。四个流场之间的电流密度差异不明显，特别是在激活极化（较低的电流密度）中。在欧姆极化区域和浓差极化区域（电流密度较高）中，此差异略有增加。在均匀的工作电压下，具有0.3 mm深度通道的流场具有更高的电流密度。功率密度的趋势与电流密度相似。深度为0.3mm的流道的功率密度也最大。通常，随着流道截面积的减小，反应介质内流场的不变性导致流道内流体的流速增加。对于较高的流体速度，催化剂层上反应介质的质量在单位时间内增加。因此，催化反应频繁地在单位时间内出现。因此，电流密度和功率密度均得到提高。但是当流道深度减小到0.2mm时，性能表现出下降。适用于流道截面积过小时的情况。通道壁的亲水相互作用变得明显，因此，流体的阻力增大。 尽管流体的中心流速始终较快，但粘壁效应仍然存在，降低了反应介质的浓度，明显阻止了反应产物的快速排出。 因此，合适的流道深度对于PEMFC的性能很重要。 太深或太浅的流道深度都会降低效率。 对于建议的相交流场，0.3 mm的流道深度是最佳选择。 此外，当工作电压为0.4 V时，四个流场的功率密度最大。 因此，在随后的比较研究中，工作电压始终设置为0.4V。
3.1.2电流密度分布
在PEM和阴极催化剂层之间的界面上的电流密度分布也是PEMFC的重要参数。 图5显示了当工作电压为0.4 V时四个流场的电流密度分布的等值线图。四个流场的电流密度分布是相似的，通道覆盖区域的电流密度明显较低，流体在流道中的快速速度是主要原因。 四个流场的均匀分布证明了新型相交流场的优势，与其他流场相比，通道深度为0.3 mm的流场表现出更好的电流密度分布。 基于上述讨论，有效降低阻力和适当控制流速都是提高效率的原因。
具有不同流道深度的相交流场的电流密度分布，（a）0.2mm，（b）0.3mm，（c）0.4mm，（d）0.5mm
3.1.3反应界面上的氧气分布
阴极中的氧化反应是产生水的主要过程，而均匀的反应是良好排水的前提，残留的水将淹没阴极，然后，PEMFC的效率和耐久性将降低。 图6显示了当工作电压为0.4 V时，四个流场的扩散层和催化剂层之间的反应界面上的氧气分布轮廓。氧气质量从流场的入口到出口显着下降。 对于四个流场，远离通道的区域的氧气质量明显低于靠近通道的区域，这意味着氧不能在扩散层上均匀且完全地扩散，四个流场的氧分布性能相似，似乎流道横截面的几何结构不能明显改善氧的分布。
3.1.4 PEM上的水量分布
水管理是PEFMC的重要系统工作，水是PEMFC的唯一产品，排水能力是防止局部过热并延长PEMFC使用寿命的保证。 图7显示了当工作电压为0.4 V时，四个流场的PEM中心界面上水质分布的轮廓图。水质从流场的入口到出口减小，由阴极中的氧化反应产生。 因此，分布趋势与上述氧分布相似，当氧气量不足时，PEM中的水量相对减少。通常，不同流道深度的相交流场的水质分布相似，故似乎流道横截面的几何结构也不能明显影响水的质量分布。
通常，流道深度的变化确实影响了PEMFC的效率，适当的通道深度降低了流体的阻力并促进了反应。 但是，流道深度对反应产物的影响似乎并不明显。 基于上述研究，通道深度为0.3 mm的流场具有更好的性能。
图7不同流道深度的相交流场在PEM上的水质分布(a) 0.2 mm, (b) 0.3 mm, (c) 0.4 mm and (d) 0.5 mm
3.2流场孔隙度的优化
本文将PEM上所有通道的阴影面积与PEM整个面积之比称为流场孔隙率。 实际上，孔隙率决定了反应介质与扩散层之间的实际接触面积[16]。 因此，它也是PEMFC的关键参数。 本文介绍了流场的四个孔隙，以讨论CFD模拟对效率的影响，即0.3、0.4、0.5、0.6。 因为流场的跨种结构无法更改，故通过改变流道宽度来实现不同的孔隙率。 在CFD模拟过程中，四个流场的流场深度保持在0.3 mm，然后依旧引入极化曲线，电流密度分布，扩散层与催化剂层之间的反应界面上的氧分布，PEM上的水质量分布，以估计不同孔隙度的相交流场的性能。
3.2.1极化曲线
图8显示了当工作电压为0.4 V时四个流场的极化曲线。当孔隙率为0.5时，电流密度和功率密度都最大;当孔隙率为0.3时，电流密度和功率密度都为最大最低。较低的孔隙率将导致反应介质与扩散层之间的实际接触面积较小。随后，反应气体不能扩散整个活性区域。因此，较低的反应介质使用率导致较低的效率。同时，较低的孔隙率意味着较小的流道宽度。因此，随着更大的阻力，传质的难度将增加。随着孔隙率的增加，电流密度和功率密度均得到改善，但是当孔隙率提高到0.6时，PEMFC的效率再次下降。尽管较高的孔隙率有助于增加反应介质的使用率，但较高的孔隙率也导致较高的接触电阻。因此，欧姆损耗增加。因此，输出功率降低。通常，当相交流场的孔隙率为0.5时，根据目前的结果，PEMFC的效率更好。
图8不同孔隙度
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