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PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计【背景介绍】

    质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为下一代能源转换技术而受到了广泛关注,其具有零排放、高效率和低温快速启动等优点。然而,由于PEMFC使用昂贵而又稀缺的铂(Pt)作为催化剂,使得电池整体成本过高,阻碍其大规模商业应用。为了克服这个问题,当前有两种方案:方案一是开发替代材料取代Pt作为新型催化剂,但目前仍没有成功开发出的Pt含量很少或不含Pt的且能保持像Pt一样活性和稳定性新型催化剂;方案二是提高燃料电池在高电流密度下的性能以增加其功率密度,这样可降低额定功率下所需Pt使用量。在高电流密度下,研究人员一直通过新型流场设计来改善电池性能,例如由丰田汽车公司提出的三维流场概念(见下图)。与传统的二维流场不同,三维流道的几何形状可促进反应气体进入催化层参加反应,能显著增强其传质性能。PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计

    基于此,上海交通大学燃料电池研究所章俊良教授课题组通过实验测试和数值模拟设计研究了具有三维流道几何形状的两种类型流场,第一种是三维波浪形流场,其通过垂直于流道平面方向上的对流作用来促进氧气的传输;第二种是三维梯度深度波浪形流场,流道深度从上游区到下游区逐渐减小,通过增加流道平面方向上和垂直于流道平面方向上的气体流速,来改善流场下游区氧气供应不足和水淹的问题。

【文章详情】

2.1 流场设计及实验测试

    首先,作者对三维流场进行了设计与制造,图1所示PEMFC的阴极流场均为三通道蛇形流场,第一种是三维波浪形流场,第二种是三维梯度深度波浪形流场,传统的三通道蛇形流场作为对照组

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计 图1. 三维波浪形流道示意图。PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计

    表2中列出了这三个流场的几何结构参数,图2是上述三种流场的实物图。

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计图2. 流场实物图: (a) 传统2D流场; (b) 三维波浪形流场; (c) 三维梯度深度波浪形流场。

    作者使用美国Scribner Associates公司的燃料电池全电池测试系统,对上述三种流场进行了实验研究。图3为这三种流场的极化曲线,可以看出,在高电流密度下(>1 A cm-2),三维波浪形流场和三维梯度波浪形流场比传统流场的性能要高。三维波浪形流场在垂直于流道平面方向上存在速度分量,使得氧气能够垂直于流道平面以对流形式进入催化层,随着电流密度逐渐增大,氧气传输能力增强使得浓度损失变小;而蛇形流场的下游区由于流道过长,非常容易发生水淹现象,为克服这个问题,三维梯度深度波浪形流场的流道深度从上游区到下游区逐渐减小,该设计可使下游区流道平面方向和垂直于流道平面方向的气体速度更大,最终增强了电池的氧气传输和排水性能。

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计图3. 在80°C、相对湿度100%和背压50 kPa (H2: Air=2.0: 2.0)下燃料电池各种流场的极化曲线。

    作者使用电化学阻抗谱(EIS)直接证明了该流场设计可增强电池的传质性能。如图4a,电流密度为1200mA/cm2时,三维梯度深度波浪形流场具有最小的低频阻抗为14.2mΩ,小于三维波浪形流场和二维流场的低频阻抗,其值分别为15.6mΩ和16.9mΩ,表明它具有最小的传质阻力;如图4b,当电流密度增加到1600mA/cm2时,低频阻抗也增大,因为在更高电流密度下产生并积累了更多的水,这将阻碍氧气传输并因此产生更高的传质阻力。

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计图4. 不同流场的EIS实验结果:(a) 1200 mA cm−2,(b) 1600 mA cm−2

2.2 数值模拟研究

    作者对这三种流场进行了数值模拟研究,依据基本守恒方程(能量、动量、连续性、组分等)和电化学守恒方程(电子和质子等),使用三维两相等温稳态模型对不同流场进行数值模拟分析研究,图5显示了每个流场的模拟结果与实验测试的极化曲线之间的比较,模拟的边界条件与实验测试的条件一样,结果基本吻合,证明了该模拟的可靠性和准确性;

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计Fig. 5. 不同流场的电池极化曲线的理论和实验值对比。

    作者设计三维流道流场的基本原理,是使得氧气能够垂直于流道平面以对流形式进入催化层,因此,作者在电流密度为1800mA/cm2的条件下,对各流场进行了模拟研究。如图6a,传统2D流场在垂直于流道平面方向上(图中的z方向)的速度为零,氧气传输只通过扩散形式;而在三维流道内z方向上存在速度分量,证明了氧气向催化层传输有对流形式,这是提高电池性能的关键原因,其中在流道波浪形的前面z方向上速度为正,中间和末端为负,可形成局部涡流,通过该涡流的惯性效应可除去扩散层中反应积累的水,这也是提高电池性能的一个原因。

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计Fig. 6. Flow velocity at through-plane direction with (a) 2D flow field; (b) 3Dflow field; (c) gradient 3D flow field.

    涡流的惯性效应可通过比较各流场电池的催化层氧气和水的浓度差异来验证;图7a-c显示各流场GDL/CL交界面的氧气质量分数分布,其中每个流场中氧气质量分数随着反应的消耗从入口到出口处逐渐减小,但三维流场比传统二维流场氧气质量分数的平均值高很多,这是氧气在垂直于流道平面方向上对流传输的原因;图7e和f显示三维流场的水质量分数远小于传统二维流场,明显改善了电池的水管理

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计Fig. 7. Mass fraction of O2 with (a) 2D flow field, (b) 3D flow field, (c) gradient 3D flow field; and mass fraction of H2O with (d) 2D flow field, (e) 3D flow field, (f) gradient 3D flow field at the GDL/CL interface.

    如上所述,随着反应进行,氧气浓度沿流道从入口到出口方向逐渐降低,同时反应产生的水逐渐积累,因此在高电流密度下,流场下游区会出现氧气供应不足的问题。为克服这个问题,三维梯度波浪形流场以逐渐减小的流道深度来满足下游区氧气的传输特性。图8b和c显示三维梯度波浪形流场上游区气体的流速比三维波浪形流场的小,为确保流道具有相同的平均深度,上游区三维梯度波浪形流场流道深度更深,但下游区流速明显增加,图8e和f显示流道出口处三维梯度波浪形流场流速大约增加了120%。

PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计Fig. 8. Flow velocity at in-plane direction within the channels of (a) 2D flow field, (b) 3D flow field, (c) gradient 3D flow field; (d-f) depict the respective zoomed-in channel at downstream region.PEMFC质子交换膜燃料电池的三维流场流道设计

    流道的三维几何形状会导致电池的压降过高,为评估电池的总体性能,作者研究了电流密度为2.0 A cm-2时各流场PEMFC(有效面积为25cm2)的压降、泵送功率和净输出功率。如表3所示,尽管三维梯度深度波浪形流场的泵送功率显著增大,但净输出功率大约是二维流场的2.1倍,并且二维流场、三维波浪形流场和三维梯度深度波浪形流场的净输出功率逐渐增大。

【总结】

(1)三维波浪形流道能够使气体在垂直于流道平面方向上产生对流,显著增强了氧气从流道到催化层的传输,局部氧浓度增大,最终使得浓差极化更小;

(2)当氧气流过波浪形流道时,在垂直于流道平面方向(z方向)上的速度分量由正变负,存在局部涡流,通过惯性效应排出反应积累的水,从而改善了电池的水管理。

(3)三维梯度深度流场沿流道在流道平面方向上和垂直于流道平面方向上气体的速度增大,改善了下游区氧气供应不足和水淹的问题,从而使得电流密度分布更均匀;

(4)三维波浪形流道增加了气体的流动阻力,导致压降和泵送功率的增大,然而由于氧气传输和排水性能的改善,在高电流密度2.0A/cm2下,三维波浪形流场和三维梯度波浪形流场的净输出功率比传统二维流场提高了87.4%和114%。

Xiaohui Yan,Cheng Guan,Yao Zhang,Kaicheng Jiang,Guanghua Wei,Xiaojing Cheng,Shuiyun Shen,Junliang Zhang*, Flow field design with 3D geometry for proton exchange membrane fuel cells, Applied Thermal Engineering, 2019, DOI:10.1016/j.applthermaleng.2018.09.110

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参考文献:Applied Thermal Engineering

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