PEMFC新型压差流道传质与电化学性能研究.pdf

电源学报第 21 卷质子交换膜燃料电池 PEMFC渊proton exchangemembrane fuel cell冤是一种零污染的绿色清洁能源转换设备袁具有转化效率高尧功率密度高尧体积小尧噪声小等优点1鄄4遥 双极板是质子交换膜燃料单电池核心组件袁双极板上流道的形状尧尺寸直接影响反应气体的利用率以及电池的排水尧散热性能5鄄6遥 为降收稿日期院2020鄄10鄄26曰录用日期院2021鄄01鄄06基金项目院山西省科技计划揭榜招标资助项目渊20201101020冤Project Supported by Shanxi Science and Technology Plan An鄄nounced Bidding Project渊20201101020冤PEMFC新型压差流道传质与电化学性能研究赵富强1袁祁慧青1袁范晓宇1袁贾彦奎1袁张晓东2渊1.太原科技大学重型机械教育部工程研究中心袁太原 030024曰2.太原理工大学机械工程学院袁太原 030024冤摘要院双极板是质子交换膜燃料电池 PEMFC渊proton exchange membrane fuel cell冤核心组件袁极板的流道形状和尺寸直接影响反应气体的利用率以及电池的排水尧散热性能遥基于极板工作原理提出一种新型 PEMFC 压差流道构型袁研究流道内阴极氧气浓度尧水浓度分布尧进出口压降尧流速的变化袁分析电流密度和极化曲线对燃料电池电化学性能的影响曰在 50%开孔率时袁通过对比 8 组低压直流道和高压直流道的宽度同时增大的仿真结果发现袁低压直流道和高压直流道宽度均由 2.25 mm 减小到 0.5 mm 时袁功率密度峰值提高了 31.9%遥 进一步探究压差流道中增大或保持一种流道宽度不变而改变另一种流道宽度对燃料电池电化学性能的影响袁结果表明低压直流道和高压直流道宽度均为 1 mm 时袁功率密度峰值最高可达 0.39 W/cm2遥关键词院质子交换膜燃料电池渊PEMFC冤曰压差流道曰流道宽度曰功率密度Study on Mass Transfer and Electrochemical Performance ofPEMFC with Novel Differential Pressure Flow ChannelZHAO Fuqiang1,QI Huiqing1,FAN Xiaoyu1,JIA Yankui1,ZHANG Xiaodong2渊1.Heavy Machinery Engineering Research Center of Ministry of Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;2.School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 Bipolar plate is the core component of proton exchange membrane fuel cell渊PEMFC冤,and the shape andsize of flow channels on the plate directly affect the utilization rate of reaction gas and the drainage and heat dissipationperformance of the battery.Based on the working principle for the plate,a novel configuration of differential pressurechannel for PEMFC is proposed.The changes in concentration distributions of oxygen and water in the cathode,inlet andoutlet pressure differences and flow rate are studied,and the effects of current density and polarization curve on theelectrochemical performance of fuel cells are analyzed.With the opening rate of 50%,compared with the simulation re鄄sults when the widths of 8 groups of low鄄pressure and high鄄pressure straight channels increase at the same time,it isfound that the peak power density increases by 31.9%when the widths of low鄄pressure and high鄄pressure straight chan鄄nels both decrease from 2.25 to 0.5 mm.The influence of increasing or maintaining one flow channel width while chang鄄ing the other on the electrochemical performance of the fuel cell is further explored,and results show that when thewidths of both the low鄄pressure and high鄄pressure straight channels are 1 mm,the peak power density can reach up to0.39 W/cm2.Keywords:proton exchange membrane fuel cell渊PEMFC冤;differential pressure flow channel;flow channel width;powerdensityDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.148中图分类号院TM911.41文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月第 4 期图 1质子交换膜燃料单电池示意及其仿真模型Fig.1 Sketch map of proton exchange membrane fuelcell and its simulation model低加工难度及成本袁 实现燃料电池的高利用率尧高性能尧耐腐蚀性袁需要设计合理的流道构型遥平行直流道尧 交指直流道是双极板直流道构型中应用最广泛的构型袁 学者们针对直流道设计优化已开展了大量研究遥其中袁Chen Shizhong 等7鄄8研究表明减小交指流道出口宽度可使氧气浓度分布和电流密度分布更加均匀曰Ramin F 等9在直流道的基础上改进了一种截面突变流道结构袁 研究表明流道截面突变可以增强反应气向催化层的扩散能力袁增大电池输出功率曰Atyabi S A 等10提出一种流道壁呈正弦函数变化的正弦流道结构形式袁与平行流道相比燃料电池性能得到大幅提高曰Li Wenkai 等11通过改变流道形状并在流场中设置阻碍结构袁 使燃料电池的输出功率提高 17.8%曰罗鑫等12对不同流道燃料电池性能进行了研究袁得出单边交指单蛇形流道阴极氧气浓度分布最均匀曰Lim B H 等13通过减少传统的单进/出口平行流场和双进/出口平行流场入口和出口处的流道数量袁结果表明减少入口和出口处流道数量可以使反应物和压力均匀分布袁使燃料电池活性区域的利用最大化遥 平行直流道具有结构简单尧内部流体压力损失小的特点袁但流道内气体扩散性差袁限制了电流密度的提升曰交指直流道间断的流道结构袁有利于反应气体对流进入气体扩散层袁但是流道内部阻力大袁易造成反应生成水滞留袁导致电池局部过热14遥基于此袁为了降低流道内反应气体流动阻力袁提升气体扩散性袁本文提出一种新型压差流道袁通过分析阴极氧气浓度分布尧阴极水浓度分布尧压力变化尧气体流速变化尧电流密度分布和极化曲线的变化情况袁探讨压差流道中低压直流道和高压直流道宽度同时增大尧增大或者保持一种流道宽度不变而改变另一种流道宽度时对燃料电池传质与电化学性能影响遥1几何模型及主要模拟参数1.1 几何模型压差流道是通过减小入口端或出口端流道截面积使相邻流道产生压力差的新型直流道袁其入口端大部分气体进入高压直流道袁少部分气体通过变压流道进入低压直流道袁高压直流道内部形成较大压力袁使反应气体通过脊部气体扩散层到达低压直流道袁高压直流道内未通过气体扩散层的气体则通过出口端变压流道流出袁相邻流道间的压差可强制反应气体产生对流袁由这种流道平行排列构成压差流场单电池示意及其仿真模型如图 1 所示遥 图 1中袁序号 1耀13 依次为入口端尧变压流道尧低压直流道尧脊背尧高压直流道尧配气流道尧出口端尧仿真模型尧阴极气体扩散层尧阴极催化层尧质子交换膜尧阳极催化层尧阳极气体扩散层遥 当单电池内部工作状态达到稳定状态后袁可认为各流道气体流动状态一致15袁对此袁选取一条高压直流道和一条低压直流道构成一组压差流道袁与其对应的膜电极部分构成一组压差流道仿真模型袁如图 1渊b冤所示遥模拟中袁设定燃料电池在稳态条件运行袁其温度恒定袁且反应气体均为理想气体袁不穿透质子交换膜曰设置反应气体具有相同的入口流速和出口压力曰 气体扩散层为匀质状态且各向同性的多孔介质曰阳极只有氢气和水袁阴极只有氧气尧氮气和水袁反应产物为气态水16曰模型中是稳态流动袁气体流渊a冤单电池示意渊b冤仿真模型12345687109121113赵富强袁等院PEMFC 新型压差流道传质与电化学性能研究149电源学报第 21 卷1.3 数学模型在进行质子交换膜燃料电池工作过程模拟时袁主要使用质量守恒方程尧动量守恒方程尧能量守恒方程尧组分守恒方程以及多组分气相扩散方程等控制反应气体流动尧传递与扩散遥1.3.1 质量守恒方程燃料电池内的物质参与反应时遵守质量守恒袁其质量守恒方程可表达为鄣渊着籽冤鄣t+窑 渊着籽u軋冤=Sm渊1冤式中院着 为孔隙率袁流道孔隙率为 1袁多孔介质孔隙率小于 1曰籽 为流体的密度袁kg/m3曰 u軋为流体速度矢量袁m/s曰Sm为物质 m 的质量源项袁 不同区域的质量源项不同遥1.3.2 动量守恒方程对于牛顿流体来说袁 考虑剪切应力和正应力袁其动量守恒方程为鄣渊着籽u軋冤鄣t+窑 渊着籽u軋u軋冤=-着 p+窑 渊着滋 u軋冤+Su渊圆冤式中院P 为压力袁Pa曰滋 为动力粘度曰Su为动量源项袁Su=-渊滋/K冤u軋曰 窑 渊着籽u軋u軋冤为对流项曰-着 p 和 窑 渊着滋 u軋冤为扩散项遥1.3.3 能量守恒方程能量守恒方程可表达为鄣渊着籽cpT冤鄣t+窑 渊着籽cpu軋T冤=窑 渊keffT冤+SQ渊3冤式中院cp为定压比热容曰keff为有效热导率曰T 为温度曰SQ为能量源项遥1.3.4 组分守恒方程组分守恒方程可表达为鄣渊着ck冤鄣t+窑 渊着u軋ck冤=窑 渊Deffkck冤+Sk渊4冤式中院ck为组分浓度曰Deffk为组分有效扩散系数曰Sk为组分源项遥2结果与讨论2.1 阴极氧气浓度分布8 组压差流道阴极氧气浓度分布如图 2 所示袁表 1模拟所用物理参数Tab.1 Physical parameters used in simulation动为层流流入曰极板阴极端面设置电压为 0.2耀0.9 V袁步长为 0.05 V袁阳极端面电压值为 0 V遥1.2 模拟参数开孔率一般指流道所占的面积与流场的面积之比17袁在保持开孔率为 50%条件下袁建立 8 组低压直流道和高压直流道宽度同时增大的压差流道模型袁 每组模型中低压直流道和高压直流道宽度相同袁 分别为 0.50尧0.75尧1.00尧1.25尧1.50尧 1.75尧2.00和 2.25 mm袁流道深度为 0.4 mm袁流道长度为 20 mm袁为避免造成水堵塞现象变压流道长度设为 1 mm袁8 组几何模型的其他结构参数保持一致曰质子交换膜尧 气体扩散层尧 催化层的厚度分别为 0.1 mm尧0.38 mm尧0.05 mm曰模拟中使用的物理参数及数值见表 1遥参数数值参数数值参数数值参考压强/MPa0.101阳极气体粘度/渊Pa 窑 s冤1.19伊10-520氢-水二元扩散系数/渊m2窑 s-1冤1.17伊10-420电池温度/K353阴极气体粘度/渊Pa 窑 s冤2.46伊10-520氮-水二元扩散系数/渊m2窑 s-1冤3.27伊10-520阳极传递系数118阳极流入 H2质量分数0.743氧-氮二元扩散系数/渊m2窑 s-1冤3.05伊10-520阴极传递系数118阴极流入 H2O 质量分数0.023氧-水二元扩散系数/渊m2窑 s-1冤3.58伊10-520膜导电率/渊S 窑 m-1冤9.82512阴极流入 O2质量分数0.228阳极交换电流密度/渊A 窑 m-2冤1伊105伊渊tcs.c_wH2/40.88冤0.5氢气参考浓度/渊mol 窑 m-3冤 40.8819氮的摩尔质量/渊kg 窑 mol-1冤0.02820阴极交换电流密度/渊A 窑 m-2冤tcs.c_wO2/40.88氧气参考浓度/渊mol 窑 m-3冤 40.8819氢的摩尔质量/渊kg 窑 mol-1冤0.00220气体扩散层渗透率/m21.18伊10-1112气体扩散层孔隙率0.419氧的摩尔质量/渊kg 窑 mol-1冤0.03220气体扩散层导电率/渊S 窑 m-1冤22218催化层相体积分数0.3水的摩尔质量/渊kg 窑 mol-1冤0.01820多孔电极渗透率2.36伊10-12150第 4 期赵富强袁等院PEMFC 新型压差流道传质与电化学性能研究图 2阴极氧气浓度分布Fig.2 Distribution of O2concentration in cathode当低压直流道和高压直流道宽度同时由 0.50 mm增加到 2.25 mm 时袁流场内氧气浓度差由 5.21 mol/m3增加到 6.84 mol/m3袁浓度差值增加了 31.3%曰随着低压直流道和高压直流道宽度的增加袁气体的扩散能力减弱袁会使模型内部氧气浓度分布不均匀袁脊背出现大面积的低浓度氧气区域而发电能力骤降的现象遥文献21解释为阴极氧气进出口浓度差越大袁气体在流道中分布均匀性越差袁 浓差极化影响越大袁这会提前出现燃料电池极限值遥2.2 阴极水浓度分布阴极水浓度分布如图 3 所示袁图中分析得到院低压直流道和高压直流道随着宽度的增加袁 流道出口端水浓度均在逐渐降低袁这是因为流道越宽袁流道中心部位反应速率越慢袁反应生成的水越少曰而脊部的水浓度随着脊部宽度的增加而增加袁这是因为脊部随宽度的增加反应速率降低袁 造成排水不畅而导致较高的水浓度遥 当低压直流道和高压直流道宽度为 0.5.0 mm 时袁 流场内水浓度差值最渊a冤0.50 mm 宽流道渊b冤0.75 mm 宽流道渊c冤1.00 mm 宽流道渊d冤1.25 mm 宽流道渊e冤1.50 mm 宽流道渊f冤1.75 mm 宽流道渊g冤2.00 mm 宽流道渊h冤2.25 mm 宽流道yxz1.776.982345600-0.5mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mmyxz1.766.982345600-0.5mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mmyxz1.626.982460-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤0mmyxz1.386.9824600-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm0yxz1.066.9824600-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤0-3mmyxz0.386.9824600-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤0-4mmyxz0.146.9824600-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤0-4mmyxz0.726.9824600-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤0-3mm151电源学报第 21 卷图 3阴极水浓度分布Fig.3 Distribution of water concentration in cathode渊a冤0.50 mm 宽流道渊b冤0.75 mm 宽流道渊c冤1.00 mm 宽流道渊d冤1.25 mm 宽流道渊e冤1.50 mm 宽流道渊f冤1.75 mm 宽流道渊g冤2.00 mm 宽流道渊h冤2.25 mm 宽流道小为 8.42 mol/m3袁 而当低压直流道和高压直流道宽度为 2.25 mm 时袁流场内水浓度差值为 11.05 mol/m3袁随着流道宽度的增加袁整个脊部中心线附近的水浓度逐渐增大袁会产生野水淹冶现象遥2.3 阴极压力变化阴极压力分布云图如图 4 所示袁阴极高压直流道与低压直流道压力变化曲线如图 5 所示袁数值取值点均为流道中心线遥低压直流道区的气体在经过变压流道之后袁压强趋于稳定下降趋势袁当低压直流道和高压直流道宽度由 0.50 mm 增加到 2.25 mm时袁低压直流道区气体压降降低了 28.7 Pa袁高压直流道区气体压降降低了 19.6 Pa遥 由此得出低压直流道和高压直流道宽度越窄袁 压降差越大的规律曰压降差增大袁 会使得更多的气体扩散到气体扩散层袁加快反应速率遥 增加入口与出口的压降可以增加流道中平均气体流速袁改善对流袁流道中生成水靠进出口压降差驱动袁 生成液态水前后压降差越大袁越利于液态水排出22鄄23遥采用 Darcy爷s 公式表示流体在圆形管道内的压yxz1.259.6724800-0.5mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm6yxz1.259.6724800-0.5mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm6yxz1.259.924800-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm6yxz1.2510.324800-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm60yxz1.2510.800-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm0-3108642yxz1.2511.300-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm0-3108642yxz1.2511.900-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm0-4105yxz1.2512.300-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院摩尔浓度渊mol/m3冤mm0-4105152第 4 期渊a冤0.50 mm 宽流道渊b冤0.75 mm 宽流道渊c冤1.00 mm 宽流道渊d冤1.25 mm 宽流道渊e冤1.50 mm 宽流道渊f冤1.75 mm 宽流道渊g冤2.00 mm 宽流道渊h冤2.25 mm 宽流道图 4阴极压力分布Fig.4 Distribution of pressure in cathode降差 驻p袁即驻p=fL籽v22DH渊5冤式中院f 为阻力因子曰L 为流道长度曰籽 为气体密度曰v为平均流速曰DH为当量直径遥在层流中袁阻力因子 f22为f=64Re=64浊DHv籽渊6冤式中:浊 为气体粘度曰Re 为雷诺数遥当量直径 DH为DH=4ab2渊a+b冤=2aba+b渊7冤式中院a为流道宽度曰b 为流道深度遥压降差的公式为驻p=fL籽v22DH=8浊LQ渊a+b冤2渊ab冤3渊8冤式中袁Q 为圆形管里气体流量遥yxz-0.5411610000-0.5mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050yxz-0.6911210000-0.5mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050yxz-0.8811810000-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050yxz-1.414110000-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050-4yxz-1.4914410000-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050-4赵富强袁等院PEMFC 新型压差流道传质与电化学性能研究yxz-1.0512510000-2mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm0500yxz-1.1913110000-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050-30yxz-1.313610000-1mm1520105mmV_cell渊11冤=0.4体院压力渊Pa冤mm050-3153电源学报第 21 卷图 6从入口到出口阴极气体流速变化曲线Fig.6 Curve of cathode gas velocity from inletto outlet图 5从入口到出口阴极压力变化曲线Fig.5 Curve of cathode pressure from inlet to outlet渊a冤低压气体压强渊b冤高压气体压强在反应介质流量一定的条件下袁增加流道长度或减小流道截面积袁均可增大压降差袁在流道长度和深度不变时袁 可通过减小流道宽度来增加压降差遥 流道宽度越小袁流速越大袁压降差越大袁利于生成水排出遥2.4 阴极气体流速变化阴极流道内气体流速变化曲线如图 6 所示袁数值取值点为低压直流道和高压直流道中心线遥8 组模型给定的初始流速相同袁 由于低压直流道和高压直流道宽度不同袁 气体扩散的速度不同袁 流道宽度越窄袁气体扩散速度越快袁所以在高压直流道中宽度为0.50 mm 的流道在较短时间内入口处获得最大的流速袁高压直流道中的气体一部分流向出口端袁另一部分气体向低压直流道区域扩散袁 所以高压直流道中的气体在流动过程中流速逐渐递减曰 而低压直流道中的气体袁仅有一小部分气体是通过变压流道得到袁大部分流道中气体是通过高压直流道中的气体扩散而得到了袁 所以低压直流道中气体从入口处到出口处流速呈上升趋势袁在接近出口端袁高压直流道中的气体扩散困难袁而导致低压直流道流速降低遥 低压直流道和高压直流道宽度越窄气体平均流速越大袁气体扩散层中的水传递至流道时袁 积聚的液态水不易堵塞流道袁影响燃料电池的性能遥2.5 电流密度分布电流密度分布如图 7 所示袁流场入口位于左侧袁出口位于右侧遥 虽然电流密度的最大值不随低压直流道和高压直流道宽度的改变而改变袁 但电流密度差值随低压直流道和高压直流道宽度的增加而增加遥 当低压直流道和高压直流道宽度由 0.50 mm 增大到 2.25 mm 时袁电流密度差值增加了 2 120 A/mm2曰高压直流道和低压直流道垂直与气体流动方向上袁电流密度差值随流道宽度增加而逐渐明显袁其电流密度分布均匀性越来越差袁脊背处的大电流密度区域在逐渐减少袁而脊背处的电流密度越低袁这会降低燃料电池性能遥 文献23解释为流道处产生电流经过脊背导出距离变长袁电池内阻增大袁脊背处大电流密度区域在逐渐减少袁而脊背处的电流密度越低袁会降低燃料电池性能遥2.6 极化曲线与功率密度曲线极化曲线和功率密度曲线如图 8 所示遥 在电压相同情况下袁电池输出性能受流道宽度变化的影响袁1208040001020与入口距离/mm0.50 mm0.75 mm1.00 mm1.25 mm1.50 mm1.75 mm2.00 mm2.25 mm1208040001020与入口距离/mm0.50 mm0.75 mm1.00 mm1.25 mm1.50 mm1.75 mm2.00 mm2.25 mm渊a冤高压气体流速渊b冤低压气体流速321001020与入口距离/mm0.50 mm0.75 mm1.00 mm1.25 mm1.50 mm1.75 mm2.00 mm2.25 mm01020与入口距离/mm0.50 mm0.75 mm1.00 mm1.25 mm1.50 mm1.75 mm2.00 mm2.25 mm3210154第 4 期图 8电压鄄电流关系Fig.8 Relationship between voltage and current渊a冤极化曲线渊b冤功率密度曲线1.00.80.60.40.200.4J/渊A 窑 cm-2冤0.50 mm0.75 mm1.00 mm1.25 mm1.50 mm1.75 mm2.00 mm2.25 mm01.20.81.60.40.30.20.100.4J/渊A 窑 cm-2冤0.50 mm0.75 mm1.00 mm1.25 mm1.50 mm1.75 mm2.00 mm2.25 mm01.20.81.6图 7电流密度分布Fig.7 Distribution of current density渊a冤0.50 mm 宽流道渊b冤0.75 mm 宽流道渊c冤1.00 mm 宽流道渊d冤1.25 mm 宽流道渊e冤1.50 mm 宽流道渊f冤1.75 mm 宽流道渊g冤2.00 mm 宽流道渊h冤2.25 mm 宽流道V_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤7.97伊1031.08伊1040.800.860.920.971.03伊1043210-1-2-3-4-520151050mmV_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤7.70伊1031.07伊1040.770.840.900.961.01伊1043210-1-2-3-4-520151050mmV_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤7.36伊1031.06伊1040.740.810.870.941.00伊1043210-1-2-3-4-520151050mmV_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤6.31伊1031.05伊1040.630.720.810.890.98伊104210-1-2-3-4-5-620151050mmV_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤5.95伊1031.05伊1040.590.700.790.880.97伊104210-1-2-3-4-5-620151050mmV_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤5.55伊1031.05伊1040.550.670.760.860.96伊104210-1-2-3-4-5-6-720151050mmV_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤7.02伊1031.05伊1040.700.780.850.920.99伊1043210-1-2-3-4-5-620151050mm低压直流道和高压直流道宽度越小袁 燃料电池输出性能越好袁所得到的功率密度峰值越高袁低压直流道和高压直流道宽度由 2.25 mm 减小到 0.50 mm袁功率密度峰值提高了 31.9%曰由极化曲线看出输出电压低于 0.7 V 时袁各组的极化曲线出现偏差袁可知宽度变化仅对欧姆极化和浓差极化有一定影响曰在进入欧姆极化区域时袁相同电流密度下低压直流道和赵富强袁等院PEMFC 新型压差流道传质与电化学性能研究V_cell渊11冤=0.4等值线院电解质电流密度矢量袁y 分量渊A/m2冤6.67伊1031.05伊1040.670.750.830.910.98伊104210-1-2-3-4-5-620151050mm155电源学报第 21 卷图 9两种直流道宽度不同时电压鄄电流关系Fig.9 Voltage current relationship of two straightchannels with different widths表 2不同流道宽度下的功率密度峰值Tab.2 Peak power density at different flowchannel widths高压直流道宽度/mm低压直流道宽度/mm功率密度峰值/渊W 窑 cm-2冤1.001.000.390 001.250.382 931.500.374 251.750.364 421.251.000.382 591.250.376 451.500.368 481.750.359 281.501.000.373 701.250.368 231.500.360 901.750.352 071.751.000.363 481.250.358 651.500.351 721.750.343 91渊a冤极化曲线渊b冤功率密度曲线1.00.80.60.40.200.4J/渊A 窑 cm-2冤01.20.81.60.40.30.20.100.4J/渊A 窑 cm-2冤01.20.81.6高压直流道宽度越大对应的电压值越小袁得随着流道宽度增大袁 由欧姆极化导致的电压损失逐渐变大曰在进入浓差极化区域后袁由于宽度的增加袁气体分子扩散的平均距离增大袁增加了浓差损耗袁导致在相同电压下流道宽度越大袁浓差极化现象越会在更低的电流密度下出现袁这表明低压直流道和高压直流道宽度增大不利于提升电流密度遥低压直流道和高压直流道宽度同时从 0.50 mm增加到 2.25 mm 了压差流道性能研究表明袁随着低压直流道和高压直流道宽度的减小袁燃料电池的功率密度峰值增加袁但考虑极板便于加工成形袁选取低压直流道和高压直流道宽度在 1.00耀1.75 mm 之间袁探讨压差流道中增大或者保持一种流道宽度不变去改变另一种流道宽度对燃料电池传质与电化学性能影响袁功率密度峰值见表 2袁极化曲线和功率密度曲线如图 9 所示遥在一定电流密度下燃料电池功率密度峰值最高袁电池性能最好22遥 由表 2 和图 9 可知袁增大一种流道宽度而改变另一种流道宽度袁或者保持一种流道宽度不变而改变另一种流道宽度袁功率密度峰值均低于高压直流道和低压直流道宽度为 1.00 mm 的功率密度峰值袁 其功率密度峰值最高可达 0.390 00 W/cm2袁而当高压直流道和低压直流道宽度均为 1.75 mm 时袁燃料电池功率密度峰值最低为 0.343 91 W/cm2遥3结论基于多物理场直接耦合 COMSOL Multiphysics分析软件袁 本文提出一种新型压差流道构型袁研究 50%开孔率条件下的 8 组低压直流道和高压直流道宽度同时增大以及 16 组流道宽度在 1.00耀1.75 mm 之间增大或者保持一种流道宽度不变而改变另一种流道宽度时袁流道内阴极氧气浓度尧水浓度分布尧进出口压降尧流速的变化规律袁揭示电流密度和极化曲线对其电化学性能的影响袁结论如下遥渊1冤当同时减小低压直流道和高压直流道宽度时袁进出口的压降增大袁使得更多的反应物扩散到高压 1.50 mm袁低压 1.00 mm高压 1.50 mm袁低压 1.25 mm高压 1.50 mm袁低压 1.50 mm高压 1.50 mm袁低压 1.75 mm高压 1.75 mm袁低压 1.00 mm高压 1.75 mm袁低压 1.25 mm高压 1.75 mm袁低压 1.50 mm高压 1.75 mm袁低压 1.75 mm高压 1.00 mm袁低压 1.00 mm高压 1.00 mm袁低压 1.25 mm高压 1.00 mm袁低压 1.50 mm高压 1.00 mm袁低压 1.75 mm高压 1.25 mm袁低压 1.00 mm高压 1.25 mm袁低压 1.25 mm高压 1.25 mm袁低压 1.50 mm高压 1.25 mm袁低压 1.75 mm156第 4 期气体扩散层袁加大反应速率提升电化学反应的充分性袁这有助于提高燃料电池功率密度峰值遥渊2冤当同时增加低压直流道和高压直流道宽度时袁会增加整个流场氧气浓度分布不均匀性袁导致电流密度差值增大曰在高压直流道和低压直流道中垂直与气体流动方向上的电流密度差值更为明显袁脊背出现大面积的低浓度氧气区域袁这会导致发电能力降低遥渊3冤流道宽度在 1.00耀1.75 mm 之间袁增大或者保持一种流道的宽度不变而改变另一种流道宽度的功率密度峰值均低于高压直流道和低压直流道宽度为 1.00 mm 的功率密度峰值遥参考文献院1 邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望J.中国科学院院刊,2019,34渊4冤:469鄄477.Shao Zhigang,Yi Baolian.Developing trend and presentstatus of hydrogen energy and fuel cell development J.Bulletin of the Chinese Academy of Sciences,2019,34渊4冤:469鄄477 渊in Chinese冤.2 白世杰,刘永峰,裴普成,等.阳极压力降对质子交换膜燃料电池性能的影响J.电源技术,2019,43渊5冤:801鄄804.Bai Shijie,Liu Yongfeng,Pei Pucheng,et al.Effect of anodepressure drop on performance of proton exchange membranefuel cell J.Chinese Journal of Power Sources,2019,43渊5冤:801鄄804 渊in Chinese冤.3 姚国军,沈翔.PEM 燃料电池迷宫流场双极板的电化学性能研究J.电源学报,2019,17渊3冤:156鄄161.Yao Guojun,Shen Xiang.Study on 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