質子交換膜燃料電池流動傳熱特性研究

杜躍斐,姜慧羚

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

隨著全球科技水平的快速發(fā)展,人們對環(huán)境問題和能源問題的危機認識逐漸加深,一些知名研究機構和汽車企業(yè)將新型能源作為目前和下一階段社會可持續(xù)發(fā)展的研究方向。燃料電池具有接近零排放、清潔、高效的特點,被認為具有較廣的應用前景。質子交換膜燃料電池是實現(xiàn)氫能利用的一種燃料電池,其電堆中內部流場非常復雜,形成具有良好流動特性的流場結構是提高質子交換膜燃料電池工作輸出性能的一個關鍵因素。燃料電池內部流場結構決定了反應物與生成物在流道內部的流動和擴散,合理的流場結構設計可以保證陰極、陽極氣體均勻分配,確保燃料電池有恒定的輸出功率,并且將生成物順利排出,不會產生燃料電池無法正常工作的情況。

近年來,很多科研和工程技術人員對燃料電池進行了研究,包括采用先進仿真手段和測試技術,對質子交換膜燃料電池內部流動和電化學反應機理進行研究。陳磊[1]針對矩形流道建立不同流道尺寸的燃料電池幾何模型,使用Fluent軟件仿真計算燃料電池的工作過程,研究流道內壓力、反應物濃度、溫度、水濃度的分布情況。徐一凡[2]圍繞金屬極板質子交換膜燃料電池中生成水的傳輸過程,開展水-氣傳輸理論建模、規(guī)律分析及流道設計優(yōu)化,為電堆流場設計提供了理論方法。林鵬[3]研究了質子交換膜燃料電池電堆在封裝載荷作用下的力學問題,以數(shù)值仿真為主要方法。文獻[4-6]采用數(shù)值模擬和試驗,對質子交換膜燃料電池流場結構和性能進行研究,為燃料電池的流場設計提供指導。文獻[7-10]也采用數(shù)值模擬技術對質子交換膜燃料電池流場結構進行了研究。

筆者利用計算流體動力學仿真技術,對質子交換膜燃料電池的流道建立三維數(shù)學仿真模型,通過Fluent軟件對質子交換膜燃料電池性能進行分析,研究質子交換膜燃料電池內部流動傳熱特性,得到質子交換膜燃料電池流道內沿流動方向的物質含量變化規(guī)律及原因。研究結果可以用于對質子交換膜燃料電池進行優(yōu)化設計,提高質子交換膜燃料電池的性能。

2 質子交換膜燃料電池工作原理

可以將質子交換膜燃料電池看作一種能量轉換裝置,根據(jù)電化學原理,等溫地將儲存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉換為電能。質子交換膜燃料電池工作原理如圖1所示。質子交換膜燃料電池工作時,氫氣在陽極催化劑的作用下反應生成氫離子和電子,陰極的氧氣分子在催化劑的作用下發(fā)生反應生成氧離子,氫離子與氧離子發(fā)生反應生成無污染的水。

陽極反應為:

H2→2H++2e

陰極反應為:

總反應為:

圖1 質子交換膜燃料電池工作原理

3 控制方程

質子交換膜燃料電池內部包含流體的流動、多孔介質中的氣體擴散、水在電池中的傳遞、催化層中的電化學反應,這些同時存在并且相互影響,內部主要的控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程、電荷守恒方程。

3.1 質量守恒方程

質量守恒方程為:

(1)

式中:ρ為氣體混合物密度;ε為多孔介質孔隙率;u為氣體混合物速度矢量;Sm為質量源項;t為時間;·(ερu)為質量流量項ερu的散度。

3.2 動量守恒方程

在多孔介質和流道中,動量守恒方程為:

=-εP+·(εμu)+Su

(2)

式中:P為壓力;μ為混合氣體黏度;Su為動量源項,在流道中Su為0;·(ερuu)為動量項ερuu的散度;P為壓力P的梯度;·(εμu)為黏性項εμu的散度,u為速度u的梯度。

3.3 能量守恒方程

質子交換膜燃料電池的能量守恒方程為:

(3)

式中:T為熱力學溫度;keff為有效導熱系數(shù);cp為定壓比熱容;SQ為能量源項;·(ερcpuT)為熱流量項ερcpuT的散度;·(keffT)為導熱項keffT的散度,T為溫度T的梯度。

3.4 組分守恒方程

對流流量和擴散流量是化學組分流量的組成部分,通常擴散流量遵循菲克定律?；瘜W組分守恒方程為:

(4)

3.5 電荷守恒方程

質子交換膜燃料電池內部的電勢分為固相電勢和膜電勢,根據(jù)歐姆定律,電荷守恒方程為:

(5)

(6)

式中:φe、φm分別為固相電勢和膜電勢;σ為電解質電導率;Sφ,e、Sφ,m分別為質子電流源相和電子電流源項;·(σeφe)為固相電流項σeφe的散度,φe為固相電勢φe的梯度;·(σmφm)為膜電流項σmφm的散度,φm為膜電勢φm的梯度。

4 建模

計算對象為一個單獨的質子交換膜燃料電池單元,包括陰極和陽極的極板、氣體流道、擴散層、催化劑層、質子交換膜等部件,兩極流道為直線型。質子交換膜燃料電池單流道截面如圖2所示。

圖2 質子交換膜燃料電池單流道截面

質子交換膜燃料電池流道的幾何模型較為規(guī)則,因此采用先建面后拉伸的策略生成六面體結構化網格。質子交換膜燃料電池網格模型如圖3所示。各部件在厚度、寬度、長度方向上均保持足夠量的網格層數(shù)分配,總體網格數(shù)為62萬,網格質量保持在0.99以上。

圖3 質子交換膜燃料電池網格模型

5 仿真參數(shù)

質子交換膜燃料電池仿真涉及的參數(shù)較多,包括流體參數(shù)、傳熱參數(shù)、電化學參數(shù)等,主要仿真參數(shù)見表1。

采用質量流量入口及壓力出口。陽極入口質量流量為6×10-7kg/s,溫度為353 K,氫氣與水蒸氣的質量分數(shù)分別為0.8、0.2。陰極入口質量流量為5×10-7kg/s,溫度為353 K,氧氣與水蒸氣的質量分數(shù)分別為0.2、0.1。兩極出口壓力均默認為零,溫度保持在353 K。

表1 質子交換膜燃料電池主要仿真參數(shù)

除兩極進出口外,模型中的其余面均做壁面處理。電池兩極端面上還需添加相應的電壓數(shù)值,陰極端面電壓為0.75 V,陽極端面電壓為零。

6 仿真結果

提交計算后,通過監(jiān)控收斂曲線,可知在迭代350步后計算收斂,收斂曲線如圖4所示。圖中continuity為連續(xù)性方程殘差,x-velocity、y-velocity、z-velocity為三個方向的速度殘差,energy為能量方程殘差,H2、O2、H2O依次為氫氣、氧氣和水含量殘差,uds-0、uds-1、uds-2為用戶自定義參數(shù)殘差。

圖4 計算收斂曲線

入口段的溫度分布如圖5所示。由計算結果可知,質子交換膜及催化劑層溫度最高,且沿著兩極極板方向溫度逐漸降低。這是由于質子交換膜燃料電池發(fā)生電化學反應放熱的區(qū)域在質子交換膜和催化劑層,兩極極板處沒有熱源產生,溫度較低。溫度分布與實際情況吻合較好。

圖5 入口段溫度分布

入口段的氫氣含量分布如圖6所示,出口段的氫氣含量分布如圖7所示。由計算結果可知,沿著流道方向氫氣含量逐漸降低,至出口段為最低。這是由于氣體通道中的氫氣會通過擴散層進入催化劑層,然后因發(fā)生電化學反應而被消耗。

圖6 入口段氫氣含量分布

圖7 出口段氫氣含量分布

入口段的水含量分布如圖8所示,出口段的水含量分布如圖9所示。由計算結果可知,沿著流道方向,水含量逐漸提高,出口段處水含量最高。這是由于出口段處為氧氣入口處,氧氣含量相對最高,電化學反應生成所需的氧氣供給最為充分,生成的水也最多。

圖8 入口段水含量分布

圖9 出口段水含量分布

7 結束語

筆者基于Fluent軟件質子交換膜燃料電池模塊對質子交換膜燃料電池單流道模型進行建模與仿真研究,通過提取溫度場、氫氣含量、水含量等結果分析質子交換膜燃料電池工作過程中的流動傳熱特性。

由計算結果可知, 質子交換膜燃料電池電堆工作過程中,質子交換膜由于產生電化學反應熱,溫度最高,并向兩側陰極、陽極極板傳遞熱量。由于電化學反應消耗氫氣,因此氫氣含量沿氫氣流動方向逐漸降低。由于電化學反應生成水,氧氣在出口段處供給充足,因此水含量沿流動方向逐漸提高,在出口段處達到最高。

研究所得結果進一步擴展后,可用于指導質子交換膜燃料電池電堆單流道的結構優(yōu)化設計。也可進一步將單流道模型擴展到整個質子交換膜燃料電池電堆模型,來模擬整塊電堆在工作過程中的流體及電化學性能。