论文部分内容阅读
摘要：基于COMSOL Multiphysics仿真软件对质子交换膜燃料电池的阴极流场进行了仿真研究，通过对压力、速度、氧气浓度与电流密度等参数的研究来比较多通道蛇形流场的尺寸对质子交换膜燃料电池的性能影响。指导质子交换膜燃料电池流场设计。
Abstract： Based on COMSOL Multiphysics simulation software， the cathode flow field of proton exchange membrane fuel cell was simulated. The parameters of pressure， velocity， oxygen concentration and current density were compared to compare the size of multi-channel serpentine flow field to proton exchange membrane fuel. The performance impact of the battery. Guide the flow field design of proton exchange membrane fuel cells.
关键词：质子交换膜燃料电池（PEMFC）;蛇形流场;三维仿真
Key words： proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）;serpentine flow channel;three-dimensional simulation
0 引言
燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能与热能，不受传统热机的卡诺循环限制[1]，效率较高且对环境友好[2]，越来越受到各国政府与研究机构的重视。在PEMFC流场设计中普遍采用蛇形流场，其中蛇形多通道流场相比蛇形单通道流场压降要小，适应于流场面积较大的情况。但仍可能存在某条通道堵塞的情况[3]。因此基于COMSOL Multiphysics软件对不同通道尺寸的流场进行仿真计算，以分析流场通道尺寸对燃料电池性能的影响。
1 流场通道形状的影响
流场通道的形状的选取也很重要。梯形通道的加工较为不易，而圆弧形的通道底部则会使凝结的水形成一层水膜，影响气体的扩散从而影响反应速率。具有尖角的通道结构有助于破坏水膜的表面张力从而阻止水膜的形成[4]。
流场通道的尺寸对电池性能的影响很大，通常通道尺寸在0.4-4mm之间变化[5]，通道过窄，则不易于气体扩散层排水，通道越宽，则反应气体与扩散层接触越直接。在燃料电池的试验研究中流道宽度尺寸普遍采用0.8-1.0mm[6，7，8]。
2 建立模型
2.1 几何与物理模型
在COMSOL软件中建立的多通道蛇形流场的模型结构如图1所示。其中气体流动方向为左上方流入，右下方流出。其中通道尺寸为0.8mm的模型所需的几何与物理参数如表1所示。通道尺寸为1mm的模型除流场通道尺寸及肋宽不同其他参数与表1保持一致。
2.2 模型设定
①反应气体为不可压缩的理想气体;②燃料电池在稳态条件下运行;③气体以层流状态流动;④电极结构各向同性。其余参数由以下公式给出。
多孔阴极发生的反应使氧气还原，即：
3 试验验证
为了验证COMSOL软件模型计算的准确性，首先建立一个上海交通大学在实际试验中使用过的单通道蛇形流场的几何模型[8]如图2所示，通过将仿真计算结果与上交实际试验结果比较来验证COMSOL软件计算准确性。并划分高质量六面体网格。
如图3，将模拟计算得到的极化曲线与实际试验得到的极化曲线相对比，发现在电流密度为1.0A/cm2时有最大误差，实验结果为0.68V，仿真结果为0.64V，最大误差为6.25%。因此计算结果与试验结果满足误差要求。通过借鉴上交的研究进展后续建立了三通道蛇形流场模型，试图在上交研究基础上通过对三通道蛇形流场模型通道尺寸的进一步优化来获取更好的性能表现。
4 结果分析
4.1 压力分布
通道尺寸为0.8mm时进出口气体压差为300Pa，通道尺寸为1mm时进出口压差为205Pa。所以通道尺寸的适当增加能有效减小气体流动阻力。
4.2 速度分布
流場通道尺寸为0.8mm时，通道内气流的最大速度为5.55m/s;通道尺寸为1mm时，最大气流速度为4.78m/s。增加通道尺寸以后，气体在通道内的速度分布更加均匀，尤其是第一条通道的第二次转弯与第三条通道的第一次转弯处附近，但大尺寸的通道尺寸能有效改善降低的幅度，避免出现气体流速突变的现象。（图4）
4.3 氧气浓度、水浓度分布
通道尺寸为0.8mm时GDL内平均氧气浓度为1.89 mol/m3，而通道尺寸为1mm时GDL内平均氧气浓度为2.67mol/m3。适当增加通道尺寸能有效增强气体向GDL内的扩散。尤其可以有效提高流场后段的氧气浓度。同时，通道尺寸的增加能有效地将电池内的过量水分排出，提高燃料电池的性能表现。
4.4 极化曲线
对两种通道尺寸的流场分别建立完整的单电池模型，得到的极化曲线与功率密度曲线如图5所示。可以看到，通道尺寸的适当增加能有效提高燃料电池的性能表现，尤其在电流密度较大的情况下，适当增加流场的通道尺寸也可以提高电池的功率密度。
5 结语
①对于流场通道形状的选取需要考虑通道形状对通道内水凝结方式的影响，通常采用矩形通道，特殊情况可以设计诸如多边形的通道形状以适应电池组的设计与匹配要求。
②通道尺寸对流场参数影响很大，适当增加通道尺寸可以降低气体流动阻力，改善气体流动状态，防止气流速度突变，增强流场与气体扩散层的气体交换，提高气体扩散层内反应气体浓度，而且有助于将流道内多余水分排出，提高电池性能。
③在实际应用中还要考虑到通道尺寸太大时膜电极组件偏转到通道中的问题，一般选取通道尺寸为1mm，但可以在0.4-4mm之间根据实际需要进行适当地调整。总而言之，流场的理论设计需要与燃料电池实际需求相适应。
参考文献：
[1]郑健超.电力技术发展趋势浅议[J].电网技术，1997（11）：4-10.
[2]Appleby AJ， Foulkes FR. Fuel Cell Handbook [M]. New York：Van Nostrand Reinhold，1994.13-22.
[3]Watkins DS， Dircks KW， Epp DG. Fuel Cell Fluid Flow Field Plate; 1992.U.S.Patent 5， 108， 849.
[4]Wilkinson DP， vanderleeden O. Serpentine Flow Field Design. In： Vielstich W， Lamm A， Gasteiger H， editors. Handbook of Fuel Cell Technology： Fundamentals， Technology and Applications， 3. New York： John Wiley&Sons; 2003. P. 315-24. Part 1.
[5]Frano Barbir. PEM燃料电池：理论与实践 [M].二版.机械工业出版社：2016，130-131.
[6]沈俊.基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究[D].华中科技大学，2018.
[7]高建华.质子交换膜燃料电池电堆一致性及动态参数研究[D].北京建筑大学，2019.
[8]张卿雷.基于CFD方法的质子膜燃料电池内部传质分析及优化设计[D].上海交通大学，2017.
Abstract： Based on COMSOL Multiphysics simulation software， the cathode flow field of proton exchange membrane fuel cell was simulated. The parameters of pressure， velocity， oxygen concentration and current density were compared to compare the size of multi-channel serpentine flow field to proton exchange membrane fuel. The performance impact of the battery. Guide the flow field design of proton exchange membrane fuel cells.
关键词：质子交换膜燃料电池（PEMFC）;蛇形流场;三维仿真
Key words： proton exchange membrane fuel cell（PEMFC）;serpentine flow channel;three-dimensional simulation
0 引言
燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能与热能，不受传统热机的卡诺循环限制[1]，效率较高且对环境友好[2]，越来越受到各国政府与研究机构的重视。在PEMFC流场设计中普遍采用蛇形流场，其中蛇形多通道流场相比蛇形单通道流场压降要小，适应于流场面积较大的情况。但仍可能存在某条通道堵塞的情况[3]。因此基于COMSOL Multiphysics软件对不同通道尺寸的流场进行仿真计算，以分析流场通道尺寸对燃料电池性能的影响。
1 流场通道形状的影响
流场通道的形状的选取也很重要。梯形通道的加工较为不易，而圆弧形的通道底部则会使凝结的水形成一层水膜，影响气体的扩散从而影响反应速率。具有尖角的通道结构有助于破坏水膜的表面张力从而阻止水膜的形成[4]。
流场通道的尺寸对电池性能的影响很大，通常通道尺寸在0.4-4mm之间变化[5]，通道过窄，则不易于气体扩散层排水，通道越宽，则反应气体与扩散层接触越直接。在燃料电池的试验研究中流道宽度尺寸普遍采用0.8-1.0mm[6，7，8]。
2 建立模型
2.1 几何与物理模型
在COMSOL软件中建立的多通道蛇形流场的模型结构如图1所示。其中气体流动方向为左上方流入，右下方流出。其中通道尺寸为0.8mm的模型所需的几何与物理参数如表1所示。通道尺寸为1mm的模型除流场通道尺寸及肋宽不同其他参数与表1保持一致。
2.2 模型设定
①反应气体为不可压缩的理想气体;②燃料电池在稳态条件下运行;③气体以层流状态流动;④电极结构各向同性。其余参数由以下公式给出。
多孔阴极发生的反应使氧气还原，即：
3 试验验证
为了验证COMSOL软件模型计算的准确性，首先建立一个上海交通大学在实际试验中使用过的单通道蛇形流场的几何模型[8]如图2所示，通过将仿真计算结果与上交实际试验结果比较来验证COMSOL软件计算准确性。并划分高质量六面体网格。
如图3，将模拟计算得到的极化曲线与实际试验得到的极化曲线相对比，发现在电流密度为1.0A/cm2时有最大误差，实验结果为0.68V，仿真结果为0.64V，最大误差为6.25%。因此计算结果与试验结果满足误差要求。通过借鉴上交的研究进展后续建立了三通道蛇形流场模型，试图在上交研究基础上通过对三通道蛇形流场模型通道尺寸的进一步优化来获取更好的性能表现。
4 结果分析
4.1 压力分布
通道尺寸为0.8mm时进出口气体压差为300Pa，通道尺寸为1mm时进出口压差为205Pa。所以通道尺寸的适当增加能有效减小气体流动阻力。
4.2 速度分布
流場通道尺寸为0.8mm时，通道内气流的最大速度为5.55m/s;通道尺寸为1mm时，最大气流速度为4.78m/s。增加通道尺寸以后，气体在通道内的速度分布更加均匀，尤其是第一条通道的第二次转弯与第三条通道的第一次转弯处附近，但大尺寸的通道尺寸能有效改善降低的幅度，避免出现气体流速突变的现象。（图4）
4.3 氧气浓度、水浓度分布
通道尺寸为0.8mm时GDL内平均氧气浓度为1.89 mol/m3，而通道尺寸为1mm时GDL内平均氧气浓度为2.67mol/m3。适当增加通道尺寸能有效增强气体向GDL内的扩散。尤其可以有效提高流场后段的氧气浓度。同时，通道尺寸的增加能有效地将电池内的过量水分排出，提高燃料电池的性能表现。
4.4 极化曲线
对两种通道尺寸的流场分别建立完整的单电池模型，得到的极化曲线与功率密度曲线如图5所示。可以看到，通道尺寸的适当增加能有效提高燃料电池的性能表现，尤其在电流密度较大的情况下，适当增加流场的通道尺寸也可以提高电池的功率密度。
5 结语
①对于流场通道形状的选取需要考虑通道形状对通道内水凝结方式的影响，通常采用矩形通道，特殊情况可以设计诸如多边形的通道形状以适应电池组的设计与匹配要求。
②通道尺寸对流场参数影响很大，适当增加通道尺寸可以降低气体流动阻力，改善气体流动状态，防止气流速度突变，增强流场与气体扩散层的气体交换，提高气体扩散层内反应气体浓度，而且有助于将流道内多余水分排出，提高电池性能。
③在实际应用中还要考虑到通道尺寸太大时膜电极组件偏转到通道中的问题，一般选取通道尺寸为1mm，但可以在0.4-4mm之间根据实际需要进行适当地调整。总而言之，流场的理论设计需要与燃料电池实际需求相适应。
参考文献：
[1]郑健超.电力技术发展趋势浅议[J].电网技术，1997（11）：4-10.
[2]Appleby AJ， Foulkes FR. Fuel Cell Handbook [M]. New York：Van Nostrand Reinhold，1994.13-22.
[3]Watkins DS， Dircks KW， Epp DG. Fuel Cell Fluid Flow Field Plate; 1992.U.S.Patent 5， 108， 849.
[4]Wilkinson DP， vanderleeden O. Serpentine Flow Field Design. In： Vielstich W， Lamm A， Gasteiger H， editors. Handbook of Fuel Cell Technology： Fundamentals， Technology and Applications， 3. New York： John Wiley&Sons; 2003. P. 315-24. Part 1.
[5]Frano Barbir. PEM燃料电池：理论与实践 [M].二版.机械工业出版社：2016，130-131.
[6]沈俊.基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究[D].华中科技大学，2018.
[7]高建华.质子交换膜燃料电池电堆一致性及动态参数研究[D].北京建筑大学，2019.
[8]张卿雷.基于CFD方法的质子膜燃料电池内部传质分析及优化设计[D].上海交通大学，2017.