质子交换膜燃料电池蛇形流场结构的数值模拟

孟庆然，刘金东，张慧良，陈海伦，田爱华

(1.吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)

质子交换膜燃料电池的蛇形流场已被广泛应用于流场结构的设计当中，由于其特殊的几何特性，不仅可以使多条平行的流道长度相等，也能使混合气体的流动压降非常接近[1]，从而令反应气体均匀分布在燃料电池的反应区域，尽可能提高燃料电池中燃料的利用率、优化反应气体的分布以及水的排出，达到优化燃料电池性能的目的[2-3].

从文献中可以观察到，大部分对于蛇形流道的数值研究[4-6]和实验研究[7-9]都是采用单流道或者小活化面积，并且流道拐角处采用直角的设计形式.通过优化设计，建立了长为5 cm、宽为5 cm、有效反应面积为25 cm2的蛇形、圆角流场、大活化面积的PEMFC阴极模型，通过不同蛇形流道数以及拐角结构进行对比分析.研究表明：单、双、三蛇形结构流场相比，三蛇形流场的压力损失相对较小；圆角流场有助于降低流道的压降；而大的活化面积有利于物质在流道内的充分流动与扩散，以达到改善电池性能的目的.

1 模型的建立

1.1 几何模型

为了分析蛇形流场燃料电池流道数与拐角结构对电池性能的影响，建立了如图1所示的蛇形流场质子交换膜燃料电池阴极模型，图形结构以三蛇形燃料电池流场阴极结构模型为例进行说明.

图1 三蛇形燃料电池阴极结构示意图

1.2 数学模型

质子交换膜燃料电池的电化学动力学方程有许多，其中在流道内需要具备一定压力差(压降)，才能保证反应气体的流动与扩散，进而提高反应速率.在流体力学中，流动压损主要包括：沿流道的压力损失，如公式(1)所示；局部压力损失，如公式(2)所示.

沿流道压力损失：

(1)

式中：l、d分别为流道长和当量直径；ρ、v、λ分别为流体密度、平均流速和沿程阻力系数.

局部压力损失：

(2)

式中：ξ为局部阻力系数.

在COMSOL Multiphysics软件中插入上述方程，并对其参数进行设置.

1.3 边界条件和物性参数

模拟中所用到的主要边界条件和物性参数，如表1所示.

表1 模拟中主要的边界条件和物性参数

1.4 模型的假设

模型基本假设为：1.只考虑阴极侧电池的运行状态；2.电池处于70 ℃等温、稳定的工作状态；3.设置出口背压均为0 atm；4.多孔扩散层为各向同性.

1.5 网格划分

对于仿真建模来说，网格划分是其中最关键的一个步骤.网格划分的好坏直接影响到计算的精度与速度，合理地网格划分，能够在保证结果准确的前提下快速得出模拟结果.由于燃料电池不同区域结构、作用都有所差异，对网格的要求也会不同，因此，根据所需要的分辨率对不同区域进行合理的网格划分是非常有必要的.表2为三蛇形燃料电池阴极的网格划分信息；图2为模型的网格划分图.

表2 模型网格划分信息

图2中的模型共包含约15万个单元数，约15万个网格顶点等.而且在蛇形流道的圆角区域处的网格划分比较细密，因为这些部分要考虑气体在流向相反的流道之间的对流效应，因此需要更高的分辨率.

2 蛇形流场结构对电池性能的影响

2.1 蛇形流道数对流道内压降的影响

在入口速度为6 m·s-1，工作压力为1 atm时，分析了单、双和三蛇形结构的燃料电池流道内压力分布情况，如图3所示.各流道进口压力、出口压力及压力差(压降)数值如表3所示.

流道入口到出口距离/m图3 不同流道数电池内压降分布图

流道进出口之间的压力差(压降)可以表征流道内流动阻力的大小，由图3及表3中的数据可知，单、双和三蛇形结构的流道进出口之间的压力差(压降)分别为：5 835.321 6 Pa、4 371.244 6 Pa、3 116.731 4 Pa；单蛇形流场阴极流道进出口的压力差(压降)要明显高于双蛇形和三蛇形流道.

表3 不同流道数电池内压降分布数据

压力差(压降)随着流道数的增多而减小的主要原因在于两个方面，一个是流体的流程；另一个是流道拐角数.从流体在流道中的流程来看：单蛇形>双蛇形>三蛇形，3种蛇形相比流程较长的流道中，外界对它提供更大的压力才能将气体从电池中排出；而流道拐角处会增加流场的压力损失，蛇形流道数越少流场拐角就会越多，压损大，因而压力差(压降)较高.因此，蛇形燃料电池可以通过增加蛇形流道数来减少流道拐角的数量，在降低气体流程的同时，将压力差(压降)控制在合理的范围内.这样电池系统的负担、额外的功率损耗都会随之减小，电池整体的性能也会得到改善.这与陈士忠[10]所得结论一致.

通过上述蛇形流场中流道数对电池性能影响的模拟，验证了模型的有效性.基于此模型进一步模拟蛇形流场拐角结构对电池性能的影响，模拟结果与分析如下.

2.2 拐角结构对流道内速度影响

在电池电压为0.6 V，入口速度为4 m·s-1时，分析了圆角和直角拐角结构对电池流道内流速的影响，如图4(a)、(b)所示；圆角拐角和直角拐角处流速的局部放大图，如图4(c)、(d)所示.

(a)圆角流道流速

(b)直角流道流速

(c)圆角

(d)直角图4 不同拐角结构电池流道内的流速

从图4(a)、(b)可以看出，相同横截面的流道，圆角流道的流速比直角流道的流速要大得多，并且从图4(c)、(d)可以发现两种拐角结构的流速在拐角位置的流速差异表现得最为明显，圆角流道的拐角处的流速比直角流道拐角处的流速要快得多，这是由于圆角流道效应所起的作用.

图5为在不同圆角拐点和直角拐点处的速度分布曲线.

拐点图5 不同拐点处的流速分布曲线

从图5可清晰地看出，在圆角拐角和直角拐角每一个相对应的拐点处，圆角拐角速度均大于直角拐角的速度，并且从拐点1到拐点5的速度是逐渐增大的.主要是由于从流道入口到出口方向气体压强逐渐减小，越靠近流道出口位置，蛇形流道的流程就会越短，流道尾部对气体的流动阻力会减小，从而使气体的流动速度有所提高，更有利于电池中水的排出，提高了燃料电池的排水性能.

综合以上对于不同拐角结构速度的分析：对于直角流道，在拐角处存在一个直角弯，此处即为气体流动的一个缓冲区，这样在壁面黏附力的作用下，将会使流动气体聚集、堵塞流道，最终导致其不能充分扩散，流速下降；而对于圆角流道，相当于一个流线型圆弧弯道，这样流动的气体少了一个聚集的场所，就会使气体在流道内没有阻碍地流动，均匀分布于流道内，从而带动了流道内整体流速高于直角流道的流速.因此，流道中使用圆角结构的拐角更能优化电池的性能.

3 结 论

通过对蛇形流场燃料电池不同蛇形流道数和拐角结构类型进行数值模拟得到以下结论：

(1)蛇形流场燃料电池单、双、三蛇形结构流场相比，三蛇形流场的压力损失相对较小；

(2)蛇形燃料电池拐角处设计为圆角结构时，能更好地提高电池的整体流速，进而提高电池性能；

(3)蛇形燃料电池大的活化面积有利于物质在流道内的充分流动与扩散，以达到改善电池性能的目的.