陳士忠¹，羅鑫¹，夏忠賢¹，孔建霞²

（1.沈陽建筑大學機械工程學院，遼寧沈陽110168；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學計算機信息學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010110）

　　摘要：目的研究高溫質(zhì)子交換膜（HT-PEM）燃料電池在不同進氣速度下的性能差異。方法改進一個耦合氣體流道和氣體擴散層的三維、兩相、多組分HT-PEM燃料電池模型，考慮4種進氣速度對燃料電池性能的影響。結(jié)果提高反應氣體進入流道的速度，可以改善流道中反應氣體濃度分布，使反應氣體更加均勻地分布在流道中。在溫度為453.15K的交指流場中，氧氣的進氣速度為1.6m/s，氫氣的進氣速度4m/s為最優(yōu)進氣速度。結(jié)論PEM燃料電池性能在不斷的改善，交指流場中氧氣濃度分布更加均勻，進出口的壓力差足夠排除生成物，膜電流密度分布的更加均勻。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池具有室溫快速啟動、高功率密度、方便攜帶、噪音低和零污染物排放等優(yōu)點，有望替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機在未來交通等應用領域中起到中流砥柱的作用^[1-3]。但是在這期間如果可以攻破成本和技術(shù)上的難關，從特定用途轉(zhuǎn)向民用，便可加快燃料電池的推廣^[4-9]。交指型流場可以提高反應氣體進入催化層的速率，增加膜的水合狀態(tài)，加強質(zhì)子交換膜的導電性，改善燃料電池的綜合性能^[10]。Vesselin等^[11]建立了單個HT-PEM燃料電池的3DCFD電化學模型，形象的描述了從內(nèi)部流體動力場耦合到電化學反應的現(xiàn)象。Hrong-Wen等^[12]建立了關于電流傳輸通過膜電極組件和電化學反應的模型，深入研究了氣體運輸中的關鍵性問題，給出了改善電池性能的意見。Kristian等^[13]提出建立HT-PEM神經(jīng)-模糊推理系統(tǒng)。Muhittin等^[14]建立三維計算模型，模擬研究了PEM燃料電池在陽極和陰極氣體流動通道中排出障礙物的性能，進行了不同操作條件下（化學計量，相對濕度和溫度）的模擬研究，詳細的闡述了在不同操作條件下，燃料電池性能的變化情況。Kuo等^[15]研究了改變流道形狀對PEM燃料電池的性能影響，其中著重研究了氣體流動特性，電化學反應效率。

　　筆者基于已有研究發(fā)現(xiàn)，目前并沒有針對不同進氣速度下對交指流場性能影響的研究，且也沒有給出最優(yōu)的進氣速度。因此筆者通過建立三維、穩(wěn)態(tài)、恒溫的交指流場HT-PEM燃料電池模型^[16]，利用多物理場直接耦合分析軟件COMSOL Multiphysics，對采用交指型流場的HT-PEM燃料電池單體內(nèi)流動和傳質(zhì)過程進行數(shù)值模擬和計算研究。得到改變進氣速度時燃料電池性能的變化規(guī)律，對指導HT-PEM燃料電池進氣速度有關工作具有積極的參考意義。

　　1幾何模型

　　HT-PEM燃料電池模型主要包括陰陽極流道、陰陽極氣體擴散層、陰陽極催化層，以及質(zhì)子交換膜（見圖1）。筆者以有效工作面積為3.61cm²的交指流場HT-PEM燃料電池為研究對象，在COMSOL Multiphysics軟件中進行模擬計算，模擬的主要參數(shù)見表1。

　　筆者在模擬中進行了如下的假設：①催化層、氣體擴散層和質(zhì)子交換膜均為均質(zhì)和各向同性的多孔介質(zhì)；②參與反應的氣體為空氣和理想氫氣；③反應氣體在流道中以層流的方式進行流動；④反應氣體為不可壓縮氣體；⑤燃料電池單體在穩(wěn)態(tài)條件下運行。

　　2數(shù)學模型

　　2.1控制方程

　　2.1.1 Butler-Volmer方程PEM燃料電池電化學反應的交換電流密度通過Butler-Volmer方程求解，其陽極和陰極分別^[17]為

　　2.1.2質(zhì)量守恒方程

　　PEM燃料電池電化學反應過程中的質(zhì)量守恒方程為

　　2.1.3動量守恒方程

　　在流道與多孔介質(zhì)中，動量控制方程一般形式為

　　2.1.4氣體擴散方程

　　氣體在PEM燃料電池中的擴散方程為

　　2.2電池電流電壓關系式

　　燃料電池中電壓的計算為式為

　　3結(jié)果與討論

　　3.1極化曲線

　　圖2為交指流場在453.15K溫度下的極化曲線。方案A代表氧氣的進氣速度為0.4m/s，氫氣的進氣速度為1m/s；方案B代表氧氣的進氣速度為0.8m/s，氫氣的進氣速度為2m/s；方案C代表氧氣的進氣速度為1.6m/s，氫氣的進氣速度為4m/s；方案D代表氧氣的進氣速度為6m/s，氫氣的進氣速度為15m/s。

　　分析圖2可以得出，在燃料電池電壓相同的情況下，電流密度的大小依次是方案D，方案C，方案B，方案A，在燃料電池工作電壓量一定的情況下，質(zhì)子交換膜燃料電池關于輸出功率值和電流密度呈正比關系，可知燃料電池的性能方案D最好，而方案A最差。此時進氣速度的大小也依次是方案D，方案C，方案B，方案A，可知提高進氣速度可以有效地改善燃料電池的性能。但當氧氣的進氣速度由1.6m/s增至6m/s，氫氣的進氣速度由4m/s增至15m/s時，HT-PEM燃料電池的輸出功率基本相同。這是由于當進氣速度增大時，氫氣氧氣在流道中的流量和流速也在不斷增大，即氫氣和氧氣在氣體擴散層中的擴散率也在不斷加大。但由于催化劑的催化速率是一定的，所以當氣體流速由方案C增至方案D時，電池的輸出功率并未出現(xiàn)增加。而氣體流速由方案A增加到方案C時，輸出功率隨著進氣速度的增大也在不斷增加。結(jié)合實際應用，可以得出最為經(jīng)濟的實用速度為方案C。

　　3.2陰極流道中氧氣濃度的變化分析

　　圖3為關于4種方案下陰極流道中氧氣濃度變化的模擬圖。氧氣沿左下方入口流入流道，再由右上方出口流出流道。陰極氧氣濃度變化模型取值面是沿著電池厚度方向，取陰極流道的中間面。

　　對比圖中4個陰極氧氣濃度變化分布圖可以發(fā)現(xiàn)，當氧氣的進氣速度由0.4m/s逐漸增加到6m/s，氫氣的進氣速度由1m/s逐漸增加到15m/s時，在交指流道入口處，氧氣的濃度由5.44mol·m^-3增至5.54mol·m^-3，在流道的出口處，氧氣的濃度由0.69mol·m^-3增至4.24mol·m^-3。這是因為改變進氣速度可以提高在單位時間內(nèi)通過氣體的流量。在交指流場中，由于單位時間內(nèi)通過入口截面的氣體流量增加，流道內(nèi)的氧氣濃度會相應的增大，當氧氣的濃度增大時會迫使更多的氧氣通過氣體擴散層在催化劑層與H⁺發(fā)生電化學反應，多余的氧氣就會通過氣體擴散層擴散到流道的出口。當氧氣和氫氣的流速越大時，在催化層處發(fā)生的電化學反應就越劇烈。

　　PEM燃料電池陰極流道入口氧氣濃度數(shù)值、出口氧氣濃度數(shù)值以及氧氣濃度差值見表2。

　　從表2可知，進出氧氣濃度的差值為方案A，方案B，方案D，方案C，而進出口濃度差越小，氣體在流道中的分布就會越均勻，濃差極化影響就會越小，這樣就會延遲燃料電池極限值的出現(xiàn)。當進氣的速度越大時，電流密度的極限值出現(xiàn)的就會越晚，由于方案C和方案D之間的濃度差值相差較小可以忽略。增加進氣速度會改善燃料電池的性能。這一結(jié)果和極化曲線結(jié)論一致。從經(jīng)濟實用的角度來考慮，方案C的進氣速度更符合生產(chǎn)的需要。

　　3.3陰極流道氧氣壓力變化分析

　　圖4為陰極氧氣壓力變化模型。氣體沿左下方的入口流入流道，再由右上方的出口流出流道。陰極壓力變化模型取值面是沿著電池厚度方向，取陰極流道的中間面。

　　由圖4可知，陰極流道內(nèi)的氧氣壓力變化趨勢是沿著氣體流道的方向逐漸減小的，交指流道中的進氣口和出氣口壓力下降明顯。陰極流道中氧氣壓力下降和陰極流道中氧氣濃度的變化趨勢一致。

　　PEM燃料電池陰極流道入口氧氣壓力數(shù)值、出口氧氣壓力數(shù)值以及氧氣壓力差值見表3。

　　根據(jù)表3的結(jié)果可知，壓力差大小依次為方案D，方案C，方案B，方案A。當氧氣的進氣速度由0.4m/s增至6m/s，氫氣的進氣速度由1m/s增至15m/s時，各流場沿氣體流動的方向壓力降變化由66.38Pa增大到1408Pa。當壓力降相對較大時，會迫使入口處的氧氣通過氣體擴散層擴散到催化層處，使得氧氣在催化層處分布更加均勻，加大了物質(zhì)反應的速率。而且當壓力降增大時，會更好地排放出在電化學反應過程中所產(chǎn)出的氣態(tài)水，提高了反應界面上的氧氣濃度，進而改善燃料電池的輸出性能。所以燃料電池的性能好壞依次為方案D，方案C，方案B，方案A。

　　3.4膜電流密度

　　圖5為4種方案下的膜電流密度變化模型，氣體沿左下方的入口流入流道，再由右上方的出口流出流道。膜電流密度變化模型取值面是沿著電池厚度方向，取質(zhì)子交換膜的中間面。

　　由圖5可以看出，當氧氣的進氣速度由0.4m/s增至6m/s，氫氣的進氣速度由1m/s增至15m/s時，深色區(qū)域逐漸擴大，即電流密度值在不斷增大。淺色區(qū)域在不斷向著出口處縮小，而在不斷縮小過程中深色區(qū)域的值也在不斷增加。PEM燃料電池質(zhì)子交換膜入口處電流密度、出口處電流密度以及入出口處電流密度差值見表4。

　　根據(jù)表4可知，進出口處的膜電流密度差值大小依次為方案A，方案B，方案D，方案C，膜電流密度差值越小，說明電化學反應在膜上越均勻。由于方案C和方案D的差值較小，可以忽略不計。根據(jù)圖5和表4的差值結(jié)果可知，當進氣速度增加時膜電流密度的分布會更加均勻。這是因為當進氣速度增加時，流道內(nèi)的氧氣含量會加大，迫使氧氣透過氣體擴散層更加均勻地分布在電化學反應界面，減小了濃差極化的影響。當反應物均分在反應界面時，就會相對應的提高電流密度，提高燃料電池的輸出性能。

　　4結(jié)論

　?。?）提高反應氣體進入流道的速度，可以改善流道中反應氣體濃度分布，使反應氣體更加均勻地分布在流道中。

　?。?）在溫度為45.15K的交指流場中，氧氣的進氣速度為1.6m/s，氫氣的進氣速度為4m/s為最優(yōu)進氣速度。

　　（3）提高反應氣體的速度，可以使膜電流密度分布更加均勻。

　?。?）當進氣速度提高時，可以改善濃差極化的影響，避免電流密度極限值的過早出現(xiàn)。