PEMFC流道横截面二维两相流数学模型_流道设计对电池性能影响.pdf

第 58 卷 第 7 期 化 工 学 报 Vol 1 58 No 17 2007 年 7 月 Journal of Chemical Industry and Engineering China July 2007 研究论文 PEMFC流道横截面二维两相流数学模型 流道设计对电池性能影响 王红星 许 莉 王宇新 天津大学化工学院 化学工程联合国家重点实验室 天津 300072 摘要 利用之前建立的数学模型 across the channel model 研究了流道设计对电池性能的影响 结果表明 对 不同增湿条件的质子交换膜燃料电池 PEMFC 其流道设计策略应有所不同 在增湿较差或者不增湿的条件 下 电池阴极流场板应当采用较宽的脊以获得较好的保湿效果 在增湿较好的条件下 则应当采用较窄的脊以 增强阴极排水功能 从而提高电池性能 关键词 质子交换膜燃料电池 数学模型 流道设计 中图分类号 TM 911 1 4 文献标识码 A文章编号 0438 1157 2007 07 1699 07 Two phase flow across the channel model of PEMFC Cell performance affected by channel design WANGHongxing XU Li WANGYuxin State Key Laboratory of Chemical Engineering School of Chemical Engineering and T echnology Tianjin University Tianjin 300072 China Abstract T he effects of channel design on the performance of proton exchange membrane fuel cell PEMFC are addressed with the mathematical model developed in part T he result shows that PEMFCs with different humidities have different design strategies1For a fixed electrode width narrower shoulders are preferred for the high humidity inlet PEMFC whereas wider shoulders are preferred to promote slower water removal for the low humidity inlet PEMFC Key words proton exchange membrane fuel cell mathematical model channel design 2006 10 11 收到初稿 2007 02 08 收到修改稿 联系人 王宇新 第一作者 王红星 1978 男 博士 基金项目 国家自然科学基金 青年 项目 20606025 引 言 氢氧质子交换膜燃料电池是以氢气作为阳极反 应气 氧气作为阴极反应气的一种发电装置 它的 主要副产物是水 具有低污染 高效率 高启动速 度等优点 是未来能源装置的有力竞争者 目前 燃料电池技术遇到了高成本的难题 1 4 而气体流 道的优化设计是降低燃料电池成本和提高电池性能 的有效渠道 5 19 近年来 研究者们设计了多种形 式的流道 例如平行流道 蛇形流道 螺旋流道以 及交指流道等 尽管流道形式多种多样 却均包含 流道和脊这两大要素 其中流道的作用主要是提供 反应气和排除反应产物 脊的作用主要是机械支撑 Received date 2006 10 11 Correspondingauthor Prof WANGYuxin E mail wanghx2000 eyou1com Foundation item supported by the National Natural Science Foundation of China 20606025 和导电 而流道和脊的尺寸设计是流场板设计的重 要部分 有关气体流道的模型研究主要有两大类 一类采用计算流体力学 CFD 方法 5 10 另一 类采用简化计算方法 11 19 CFD 方法从二维或 三维角度建立模型 随着计算机的计算能力日 益增强 这种方法在近十几年来得到了飞速的 发展 本文将分别针对阴极干空气进料和饱和湿空气 进料的情况 利用之前建立的数学模型 讨论阴极 流道和脊的宽度对电池性能的影响 1 阴极流道和脊尺寸的影响 为了更加细致地考察流道和脊的影响 本文将 讨论 3 种不同的流道和脊的改变方式 第一种是增 大流道宽度的同时减小脊的宽度 图 1 a 保 持其宽度和不变 称为方式 1 第二种是保持流道 或脊 的宽度不变 而改变脊 或流道 的宽度 图 1 b 称为方式 2 第三种是同时增大或减 小流道和脊的宽度 图 1 c 称为方式 3 1 干空气和饱和湿空气进料条件下方式 1 的 计算结果分别示于图 2和图 3 在干空气进料的情 况下 分别考察了 Nafion R112 和 115 两种不同 厚度膜的影响 其计算结果分别示于图 2 a 和 b 在饱和湿空 气进料的 条件下 则仅考 察 Nafion 112 一种膜 由图 2 可以看出 在干空气进料的条件下 减 小流道宽度同时增大脊的宽度有利于电池在高电压 区的性能 但是在电压较低时 较小流道宽度的电 池性能下降很快 产生这种现象有膜电导率和氧气 传质两方面原因 电压较高时 电池处于欧姆极化 区 较小的流道宽度和较大的脊宽度有利于扩散层 的保湿 即膜的平均含水量较高 使电导率较大 电池性能较好 电压较低时 电池处于浓差极化 区 较小的流道宽度和较大的脊宽度不能为电池提 供足够的氧气 从而造成较小的极限电流 比较图 2 a 和 b 可知 欧姆极化区的差别在膜较厚 时更为明显 原因是膜较厚时 水从阳极向阴极的 传递阻力增大 导致其各处含水量的差别更大 故 电池性能的差别更大 输出电压为0 1 7 V 时 氧气浓度 膜含水量和 电流密度在电池内部的分布示于图 4 图 6 模拟 结果显示 较宽的脊有利于平均电流密度的提高 但当脊过宽 wrib 1 18 mm wchannel 0 12 mm 时 因为脊下氧浓度过低 图4 造成远离流道的催 化层反应速率下降 于是电流密度降低 图6 图 1 3 种不同的方式 Fig 1 1 Three different methods a rib width varied from 0 1 2 1 10 mm and channel width varied from 1 1 0 0 1 2 mm b rib and channel width varied separately from 1 1 0 2 1 0 mm c rib and channel width varied contemporarily from 0 1 5 3 1 0 mm 模拟结果 图 3 显示 饱和湿空气进料的条 件下 较大的流道宽度和较小的脊宽度具有相对较 好的电池性能 原因是此时膜具有较高的电导率 反应速率主要受氧气浓度的影响 较小的脊宽度有 利于提高电池的排水性能 避免电池被水淹 保持 足够的气体通道和反应活性点 因而氧气传质速率 1700 化 工 学 报 第 58 卷 图 2 阴极流道和脊的宽度对电池性能 的影响 方式 1 干空气 Fig 12 Effect of cathode channel and rib width on PEMFC performance method 1 dry inlet stream 图 3 阴极流道和脊的宽度对电池性能 的影响 方式 1 饱和湿空气进料 Fig 1 3 Effect of cathode channel and rib width on PEMFC performance method 1 100 humidity inlet stream 更快 而有力于电池的性能 但是 脊宽度不能无 限地减小 由图 3 可以看出 脊宽度为 0 12 mm 图 4 阴极流道和脊的宽度对扩散层氧气浓度 mol m 3 分布的影响 方式 1 干空气 017 V Fig 1 4 Effect of cathode channel and rib width on oxygen concentration distribution in diffusion layer method 1 dry inlet stream a wrib 0 1 2 mm wchannel 1 1 8 mm b wrib 0 1 6 mm wchannel 1 1 4 mm c wrib 1 1 0 mm wchannel 1 10 mm d wrib 1 1 4 mm wchannel 0 1 6 mm e wrib 1 1 8 mm wchannel 0 1 2 mm 图 5 阴极流道和脊的宽度对膜含水量 K 分布的影响 方式 1 干空气 0 1 7 V Fig 1 5 Effect of cathode channel and rib width on K method 1 dry inlet stream a wrib 0 1 2 mm wchannel 1 1 8 mm b wrib 0 1 6 mm wchannel 1 1 4 mm c wrib 1 1 0 mm wchannel 1 10 mm d wrib 1 1 4 mm wchannel 0 1 6 mm e wrib 1 1 8 mm wchannel 0 1 2 mm 时 电池在高电压区的性能略有下降 这是因为脊 宽度的减小增大了电子传导的接触电阻 而且流道 下催化层电子向脊传递的路程更长 使电池具有较 大的欧姆极化损失 1701 第 7 期 王红星等 PEMFC 流道横截面二维两相流数学模型 2 干空气和饱和湿空气进料条件下方式 2 的计算结果分别示于图 7 和图 8 由图 7 可见 干空 图 6 阴极流道和脊的宽度对阴极催化层表面电流密度 分布的影响 方式 1 干空气 0 1 7 V Fig 1 6 Effect of cathode channel and rib width on local current density distribution along width of reactive interface method 1 dry inlet stream 图 7 阴极流道和脊的宽度对电池性能 的影响 方式 2 干空气 Fig 1 7 Effect of cathode channel and rib width on PEM FC performance method 2 dry inlet stream 气进料时 较大的脊宽度有利于电池性能在高电压 区的提高 而饱和湿空气进料时 较小的脊宽度有 利于电池整体性能的提高 原因与方式 1 相似 在 此不加赘述 输出电压为 0 17 V 时的各物理量分布 示于图 9 图 11 由图 7 图 8 还可以发现 保持流道宽度不 变 增大脊的宽度对电池性能有较大的影响 而保 持脊宽度不变 增大流道的宽度则对电池性能影响 较小 这说明脊下催化层的利用对电池性能至关重 要 要得到较高的电池性能 需要特别重视脊的 设计 图 8 阴极流道和脊的宽度对电池性能的 影响 方式 2 饱和湿空气进料 Fig 1 8 Effect of cathode channel and rib width on PEMFC performance method 2 100 humidity inlet stream 图 9 阴极流道和脊的宽度对扩散层氧气浓度 mol m 3 分布的影响 方式 2 干空气 0 1 7 V Fig 1 9 Effect of cathode channel and rib width on oxygen concentration distribution in diffusion layer method 2 dry inlet stream a wrib 1 1 0 mm wchannel 1 1 0 mm b wrib 1 1 0 mm wchannel 1 1 5 mm c wrib 1 1 0 mm wchannel 2 10 mm d wrib 1 1 5 mm wchannel 1 1 0 mm e wrib 2 mm wchannel 1 1 0 mm 1702 化 工 学 报 第 58 卷 图 10 阴极流道和脊的宽度对膜含水量 K 分布的影响 方式 2 干空气 0 1 7 V Fig110 Effect of cathode channel and rib width on K method 2 dry inlet stream a wrib 1 1 0 mm wchannel 1 1 0 mm b wrib 1 1 0 mm wchannel 1 1 5 mm c wrib 1 1 0 mm wchannel 2 1 0 mm d wrib 1 1 5 mm wchannel 1 1 0 mm e wrib 2 1 0 mm wchannel 1 1 0 mm 图 11 阴极流道和脊的宽度对阴极催化层表面电流密度 分布的影响 方式 2 干空气 0 1 7 V Fig111 Effect of cathode channel and rib width on local current density distribution along width of reactive interface method 2 dry inlet stream 3 干空气和饱和湿空气进料条件下方式 3 的 计算结果分别示于图 12 和图 13 由图 12 可以看 出 干空气进料时 在高电压区 流道和脊宽度均 为 2 mm 时 电池的性能最佳 原因是增大流道的 宽度有利于氧气传质 图 14 而不利于膜的保湿 图 15 而增大脊的宽度则相反 因此同时增大 流道和脊的宽度将拉大电流密度在流道和脊下分布 的差别 图 16 当宽度过小 0 15 mm 时 电 池的保湿能力差 受质子传递的限制 电池性能较 差 当宽度过大 3 mm 时 受氧传质的限制 电池性能也较差 从而宽度适中 2 mm 时电池 性能最佳 但是 较大的流道和脊的宽度使得不同 区域的膜含水量差异较大 图 15 容易对电池的 寿命产生影响 图 12 阴极流道和脊的宽度对电池性能 的影响 方式 3 干空气 Fig 1 12 Effect of cathode channel and rib width on PEMFC performance method 3 dry inlet stream 图 13 阴极流道和脊的宽度对电池性能 的影响 方式 3 饱和湿空气进料 Fig 1 13 Effect of cathode channel and rib width on PEMFC performance method 3 100 humidity inlet stream 1703 第 7 期 王红星等 PEMFC 流道横截面二维两相流数学模型 图 14 阴极流道和脊的宽度对扩散层氧气浓度 mol m 3 分布的影响 方式 3 干空气 0 1 7 V Fig114 Effect of cathode channel and rib width on oxygen concentration distribution in diffusion layer method 3 dry inlet stream a wrib wchannel 015 mm b wrib wchannel 1 1 0 mm c wrib wchannel 2 1 0 mm d wrib wchannel 3 1 0 mm 图 15 阴极流道和脊的宽度对膜含水量 K 分布的影响 方式 3 干空气 0 1 7 V Fig115 Effect of cathode channel and rib width on K method 3 dry inlet stream a wrib wchannel 015 mm b wrib wchannel 1 1 0 mm c wrib wchannel 2 1 0 mm d wrib wchannel 3 1 0 mm 图 16 阴极流道和脊的宽度对阴极催化层表面电流密度 A cm 2 分布的影响 方式 3 干空气 017 V Fig116 Effect of cathode channel and rib width on local current density distribution along width of reactive interface method 3 dry inlet stream 由图 13 可以看出 饱和湿空气进料时 越小 的流道和脊宽度具有越好的电池性能 其原因是较 小的宽度更有利于氧气的传质 2 结 论 为了研究电池内部的传质过程以及流道和脊的 宽度对电池性能的影响 建立了包含阴 阳极催化 层 扩散层和质子交换膜的二维模型 不同增湿条 件的 PEMFC 流道设计策略有所不同 在增湿较差 或者不增湿的条件下 对于电池阴极流场板应当采 用较宽的脊以获得较好的保湿效果 从而提高电池 性能 在增湿较好的条件下 则应当采用较窄的脊 以增强阴极排水功能 从而提高电池性能 References 1 Veziro T N1 Quarter century of hydrogen movement 1974 2000 1Int1J1H ydrogen Energy 2000 25 12 1143 1150 2 Larminie J Dicks A1 Fuel Cell Systems Explained 1 New York Wiley 2000 3 CostamagnaP Srinivasan S1Quantumjumps inthe PEMFC science and technology from the 1960s to the year 2000 Fundamental scientific aspects1J1Power Sources 2001 102 2 242 252 4 CostamagnaP Srinivasan S1Quantumjumps inthe PEMFC science and technology from the 1960s to the year 2000 Engineering technologydevelopmentand application aspects1 J1Power Sources 2001 102 2 253 269 5 Aric A S Cret P Baglio V 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