高温pem 燃料电池的流场结构设计与优化

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1、高温 PEM燃料电池的流场结构设计与优化    杨 洋， 陈壁峰， 肖金生， 张海宁， 潘 牧    (1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；    2.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430070)    摘要：基于 500 W 高温 PEM 燃料电池堆，主要从流道级别和流场级别，通过理论计算提出了单电池的基准方案，运用计算流体动力学软件 Fluent 模拟了单电池的性能。在此方案基础上考虑不同流道结构参数的影响，提出了三个优化方案，并对其进行了比较。结果表明，常温燃料电池设计准则难于应用于高温燃料电池，对于 95 ℃的质子交换

2、膜燃料电池，采用流道宽度 1 mm，岸宽 1 mm，流道高度 0.4 mm 的平行直流道时电池性能最佳。    关键词：高温 PEM 膜燃料电池；流场；设计；优化    中图分类号：TM 911   文献标识码：A   文章编号：1002- 087 X(2011)04- 0476- 04    传统的质子交换膜燃料电池一般是低温燃料电池，对于气体的湿度和冷却系统的要求相对较高，相比而言，高温质子交换膜燃料电池简化了质子交换膜燃料电池的水管理和热管理，因此高温质子交换膜燃料电池的研究近年来受到了广泛关注。然而对于流道结构的模拟研究工作主要集中在常温燃料电池上，其中，Y.M. 

3、Ferng等人模拟了平行直流道和单蛇形流道，主要考虑的是流道的深度对电池性能的影响。D.H.Ahmed等人模拟了三种不同截面的流道，包括矩形、梯形和四边形，在相同操作条件下矩形截面的流道性能最好。S.Shimpalee等人模拟了相同流道面积条件下不同流道的数目对于电池传质的影响。J. Scholta等人模拟了平行直流道不同流道宽度和岸宽对燃料电池性能的影响，结果表明流道的最佳尺寸是流道宽和岸宽都在 0.7 mm 到 1 mm 时电池性能最好。X.D. Wang等人主要考虑了流道深度和宽度对电池性能的影响。Y.Y. Duan等人模拟了单蛇和三通道多蛇流道截面不同长宽比条件下的

4、电池性能。国内外对于高温燃料电池的流道设计的数值模拟研究较少。本文在前述常温燃料电池流道优化设计的基础上，针对本课题组研制的 500 W 高温燃料电池的流场进行模拟与优化。    1 数学模型    PEM 燃料电池内部包含多孔介质中的气体扩散、水的传递以及催化层中的电化学反应，它们同时存在并且相互影响，其内部主要的控制方程包括气体在多孔介质中的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、电化学方程和电流守恒方程，分别表示如下：             2 模型参数    选用的三种单电池模型结构如图 1 所示，其中，电池的活化面积均为 25 cm2，边长为 5

5、 cm×5 cm，电池的阴阳极流道截面均为矩形，集流板的厚度为 0.4 mm，气体扩散层厚度为0.2 mm，催化层厚度为 0.01 mm，膜的厚度为 0.03 mm。        主要研究的是 95 ℃条件下 PEM 燃料电池流场的优化设计，其中，操作压力为 1.5×105Pa，出口背压为 0，操作温度为95 ℃，空气 / 氢气温度均为 95 ℃，阴阳极过量系数分别为 2和 1.5，阴阳极加湿度均为 100%，开路电压为 1.05 V。电池模拟的物性参数如表 1 所示。        3 结果及分析    为了确定流道的具体尺寸，即流道的高度，宽度以及岸的宽度。首先对进气

6、量和进气压力损失进行理论计算，然后建立单电池基准模型，最后基于此模型进行流道的优化设计。以下关于流道和流场的分析都是在电流密度为 1 A/cm2条件下进行的。    3.1 不同流场结构的比较    流道的具体尺寸是根据进气量和进气压力损失的值进行判断和确定的，再在此理论值基础上进行建模和计算分析。    3.1.1 反应气压力损失计算    由燃料电池的工作原理及法拉第第一定律可推出阳极和阴极的进气量为：                 中水含量越来越高，氧气摩尔浓度越来越低；流道下方的水含量比岸下少，岸下的氧气摩尔浓度比流道下少。但是平行流场的水含量、氧气摩尔浓度的分布

7、最均匀，这有利于流场中气体电化学反应的均匀性，从而提高电池的性能。    图 6 为输出电压为 0.5 V 时阴极催化层 - 扩散层交界面的电流密度分布图。在此条件下三种流场的平均电流密度分别为 1.28、0.84、0.84 A/cm2，由此可见，平行流场的平均电流密度强度明显优于另外两种流场；从电流密度的分布来看，三种流场都比较均匀。并且由表 2 可以看出，无论从膜中水含量、阴极催化层 - 扩散层界面的平均氧气浓度还是相同电流密度条件下的输出电压的比较来看，都是平行流场最好，多蛇形Ⅱ其次，多蛇形Ⅰ最差。