质子交换膜燃料电池五边形挡板流场结构优化与性能改进

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.10.008

摘要/Abstract

摘要：

为有效提高燃料电池（fuel cell， FC）的性能，提出一种在阴极处具有五边形挡板的新型流场（flow field， FF）设计。为了解五边形挡板的加入对FC内部传质过程的影响，开发了一个三维、多相、非等温稳态模型，将多孔层结构引起的各向异性传输性质和催化层实际团聚体结构的非均质特性耦合到模型中，研究了挡板高度变化时FC性能的变化。结果表明，五边形挡板增强了流道的传质性能与气体分布均匀性。随着挡板高度增加，流道的传质性能、排水性能以及气体分布均匀性增加，高度100% （H100）的挡板由于与气体扩散层直接接触，堵塞了排水通道，因此其保水性能最好。在相对湿度为50%情况下，H100的FF结构具有最大的净功率密度，与原始FF （H0）相比，净功率密度增加17.778%。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 五边形挡板, 挡板高度, 各向异性, 催化层团聚体模型, 非等温

Abstract:

In order to effectively improve the performance of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）， a new flow field （FF） design with pentagonal baffle at the cathode is proposed. In order to fully understand the influence of the addition of pentagonal baffles on the mass transfer process within the fuel cell （FC）， a three-dimensional， multiphase and non-isothermal steady-state model is developed， embedding the anisotropic transport properties caused by the porous layer structures and the heterogeneous model of the actual agglomerate structure of the catalyst layer in the model， studying the changes in FC performance when the height of the baffles changes. The results show that the pentagon baffle enhances the mass transfer performance and gas distribution uniformity. With the increase of the baffle height， the mass transfer performance， drainage performance and gas distribution uniformity of the flow channel increase. The baffle with a height of 100% （H100） blocks the drainage channel due to its direct contact with the gas diffusion layer， so its water retention performance is the best. Under the condition of relative humidity of 50%， the FF structure with H100 baffle has the maximum net power density， which is 17.778% higher than the original FF（H0）.

Key words: proton exchange membrane fuel cell, pentagonal baffle, height of baffle, anisotropy properties, catalyst layer agglomerate model, non-isothermal

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图/表 18

图1

表1

表2

控制方程表达式"

控制方程	表达式
连续性方程	$? ? ε e f f ρ g u → g = S m$
动量方程	$ε 1 - s 2 ? ? ρ g u → g u → g = - ε ? p g + ε 1 - s ? ? μ g ? u → g + S u →$
物种守恒方程	$? ? ε e f f ρ g u → g Y i = ? ? ρ g D i, e f f ? Y i + S i$
电流守恒方程^［14］	$? ? i → m + ? ? i → e = 0$
能量守恒方程	$ρ c p e f f u → g ? T = ? ? δ e f f ? T - ∑ i h i J i → + γ ˉ ˉ ? u → g + S t e m p$
液态水传输方程	$? ? ρ H 2 O l D c ? S - ρ H 2 O l k r l μ H 2 O g k r g μ H 2 O l u g = M H 2 O S H 2 O l$
溶解相水传输方程^［12］	$? ? n d i → m F - ? ? D H 2 O - M ? c H 2 O d - ? ? k p, M c H 2 O d μ H 2 O ? p$

表2

表3

源项表达式"

源项	表达式
$S m$	$S m = - M H 2 i a / 2 F - M H 2 O S H 2 O d, 阳极 C L - M O 2 i c / 4 F - S H 2 O l, 阴极 C L - S H 2 O l, 阴极 G C 和 P L s 0, 其余$
$S v$	$S u → = - ε 2 μ g u → g k p k r g - ε 3 C F ρ g k p u → g u → g$
$S i$	$S i = S H 2 = - j a / 2 F M H 2, 阳极 C L S O 2 = - j a / 4 F M O 2, 阴极 C L S H 2 O = - S H 2 O l / M H 2 O, P L s S H 2 O = - S H 2 O l / M H 2 O + S H 2 O d / M H 2 O, C L$
$S t e m p$	$S t e m p = i → 2 σ e C C, C C r w h L, G C i → 2 σ e G D L, M P L + r w h L, G D L, M P L η j a, c + i → 2 1 σ m + 1 σ e C L + r w h L, C L i → 2 σ m + r w h L, P E M$
$S H 2 O l$	$S H 2 O l = k c o n ε 1 - s x H 2 O g R T x H 2 O g p g - p s a t k e v a ε s ρ H 2 O l M H 2 O x H 2 O g p g - p s a t$
$S H 2 O d$	$S H 2 O d = ρ M E W λ e q - λ 1 - s M H 2 O γ g d + s M H 2 O γ l d$

表3

表4

CL团聚体模型相关参数表达式"

相关参数	表达式
孔隙空间的体积分数 $ε C L$	$ε C L = 1 - L P t / C - L i$
Pt/C颗粒的体积分布 $L P t / C$	$L P t / C = m P t t C L 1 ρ P t + 1 - f f 1 ρ C$
离聚物相的体积分数 $L i$	$L i = L P t / C r a g g 3 1 - L i, a g g r a g g 3 L i, a g g + r a g g + δ i 3 - r a g g 3$
The Pt/C loading ratio $f$	$f = m P t m P t + m C$
团聚体上离聚物膜的厚度 $δ i$	$δ i = r a g g L i 1 - L i, a g g L P t / C - L i, a g g + 1 3 - 1$
液态水膜的厚度 $δ w$	$δ w = r a g g + δ i 3 + 3 s ε C L 4 π N 3 - r a g g + δ i$
单位CL体积的团聚体颗粒数 $N$	$N = 3 L P t / C 4 π r a g g 3 1 - L i, a g g$
阴极CL的体积电流密度 $j c$	$j c = 4 F P O 2 H O 2 1 E r k c 1 - ε C L + r a g g + δ i + δ w r a g g δ i a a g g, i D O 2, i + δ w a a g g, w D O 2, w - 1$
氧气的亨利常数 $H O 2$	$H O 2 = 0.101325 e x p - 666 T + 14.1$
离聚物中氧的扩散率 $D O 2, i$	$D O 2, i = 2.88 × 10 - 10 e x p 2933 1313 - 1 T$
液态水中氧的扩散率 $D O 2, w$	$D O 2, w = 7.4 × 10 - 12 T ψ M H 2 O 0.5 μ H 2 O V O 2 0.6$
球形团聚体的有效因数 $E r$	$E r = 1 Φ L 1 t a n h 3 Φ L - 1 3 Φ L$
反应速率 $k c$	$k c = i c r e f a e f f - e x p α a F η c / R T + e x p - α c F η c / R T 4 F 1 - ε C L C O 2 r e f$
阳极体积交换电流密度 $j a$	$j a = 1 - s i a r e f a e f f P H 2 C H 2 r e f H H 2 0.5 e x p α a F η a R T - e x p - α c F η a R T$

表4

图2

表5

PEMFC的操作条件和物理/电化学参数"

项目	参数	数值	参考文献	参数	数值	参考文献
操作条件	操作温度/K	353.15		阳极/阴极入口相对湿度/%	50
操作条件	阳极/阴极操作压力/atm	1		阳极/阴极化学计量比	1.5， 2.0
物理/电化学参数	液态水黏度/（Pa·s）	1.002e^-3	［12］	液态水和水蒸气之间的相变速率/s^-1	100	［20］
	液态水、干燥PEM密度/（kg·m^-3）	988， 2 000	［12］	PEM的等效质量/ （kg·mol^-1）	1.1	［20］
	表面张力/（N·m^-1）	0.062 5	［12］	阳极/阴极电荷转移系数	0.5， 0.5	［20］
	膜膨胀系数	1.26e^-2	［12］	CC， CL的电导率/（S·m^-1）	2e⁴， 5 000	［20］
	O₂， H₂， N₂摩尔质量/（kg·mol^-1）	3.2e^-2， 2e^-3， 2.8e^-2	［12］	GDL， MPL， CL的接触角/（°）	120， 110， 100	［20］
	CC， GDL， MPL， CL， PEM比热/（J·kg^-1·K^-1）	875， 710， 710， 710， 2 000	［13］	CL， PEM的固有渗透率/m²	1.0e^-13， 2.0e^-20	［20］
	H₂， O₂的浓度指数	0.5， 1	［13］	阳极参考交换电流密度/（A·m^-2）	100	［21］
	阻塞的水饱和度指数	2.5	［13］	MPL的热导率/ （W·m^-1·K^-1）	IP： 1， TP： 0.6	［22］
	传输电流的孔隙阻塞	2.5	［13］	MPL的电导率/（S·m^-1）	IP： 1 978， TP： 885	［22］
	接触电阻/（Ω·m^-2）	2e-6	［13］	离聚物弯曲度	0.7	［23］
	CC， GDL， MPL， CL， PEM密度/（kg·m^-3）	1 880， 490， 1 250， 2 010， 1 980	［13］	O₂， H₂密度/（kg·m^-3）	1.29， 0.089 9	［23］
	离聚物体积分数	0.4	［24］	MPL的固有渗透率/m²	IP： 1.0e^-12， TP：3.3e^-13	［25］
	阴极CL结块半径	1.0e^-7	［24］	阴极/阳极Pt消耗/（kg·m^-2）	0.003， 0.001
	O₂， H₂， N₂， H₂O热导率/（W·m^-1·K^-1）	0.029 6， 0.204 0， 0.029 3， 0.023 7	［26］	阴极/阳极C消耗/ （kg·m^-2）	0.006
	H₂O 在阳极、阴极GCs内的扩散率/（m²·s^-1）	5.457e^-5， 2.236e^-5	［26］	可逆电势/V	1.2
	H₂， O₂， H₂O_（vapor）的黏度/（kg·m^-1·s^-1）	8.411e^-6，1.919e^-5， 1.34e^-5	［26］	传热系数/ （W·m^-2·K^-1）	20

表5

表6

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

表7

参考文献 28

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参数	数值
流道的高，宽，长/mm	1.5，9， 30
集电器（current collector， CC）的高，宽/mm	1， 11
GDL， MPL， CL的孔隙率	0.55， 0.4， 0.3
GDL， MPL， CL， PEM的高/mm	0.2， 0.05， 0.0129， 0.108
五边形挡板的外接圆半径，高/mm	0.75， 1.5
五边形挡板的横向/纵向圆心距/mm	2.25

案例	1	2	3	4	5
MEA网格细节	36960×4	36960×6	36960×8	36960×10	36960×12
网格数/10⁴	65.7	73.1	80.5	87.9	95.3
计算时间/min	61	74	85	99	113

GC设计	阴极PD/Pa	最大P_d/（W·cm^-2）	泵送P_d/（×10^-5W·cm^-2）	净P_d/（W·cm^-2）	最大P_d提升/%	净P_d提升/%
H0	0.635	0.302 12	0.093	0.302 12
H25	1.351	0.301 60	0.189	0.301 60	-0.172	-0.172
H50	3.141	0.299 39	0.426	0.299 39	-0.904	-0.905
H75	6.760	0.298 18	0.923	0.298 17	-1.304	-1.307
H100	8.284	0.355 84	1.125	0.355 83	17.781	17.778

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