质子交换膜燃料电池带载吹扫仿真研究范文

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【摘要】为解决车载燃料电池停机后因气道中残留氢气而在一段时间内维持开路电压状态的问题，基于GAMBIT建立了燃料电池三维模型，利用FLUENT对其进行带载吹扫仿真。仿真结果表明，燃料电池的水分布集中在其后半部分，且含水量随吹扫流量和时间的增加而减小；在吹扫流量达到正常进气流量量级的情况下，前30s的吹扫除水效率最高；第30~80s的吹扫效率稍微下降，但保证了更好的吹扫效果；在吹扫时间和吹扫流量有一定效果的情况下，吹扫时间对除水效果的影响大于吹扫流量。

主题词：质子交换膜燃料电池带载吹扫水含量

1前言

质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）如果长时间处于低温环境，其运行过程中生成的水可能结冰，影响电池性能。因此，燃料电池停机后进行吹扫除水对提高冷启动能力十分重要。车载燃料电池停机后由于气道中残留有氢气而在一段时间内继续进行电化学反应，维持开路电压[1]，使其处于带载状态。通过对燃料电池进行带载吹扫仿真可以更加准确地还原其停机后的真实吹扫情况，为解决燃料电池冷启动问题提供更加精确的吹扫方案。在燃料电池吹扫建模方面：Bradean等[2]建立了一维模型研究吹扫后燃料电池内的水分布情况，并发现电池的温度是控制吹扫效果的最敏感条件；Sinha和Wang[3]建立了三维两相流模型，并根据膜的高频电阻（HighFrequencyResistance，HFR）将吹扫过程分为4个阶段，同时发现，高气体流量、高电池温度及干燥的吹扫气体有利于水的清除；随后，他们建立了更加复杂的三维两相流模型[4]，证实了纯阴极吹扫的潜在无效性；Basu等[5]建立了多流道平行的燃料电池模型，仿真发现，由于各流道流动阻率的不同，会出现气体流动不均匀现象，使反应速率不均匀，从而影响电池寿命；许澎[6]建立了一维燃料电池吹扫水传递模型，仿真和试验结果表明，增加阳极气体流量可减缓吹扫过程中水从阴极到阳极的反扩散现象，从而显著减少膜电极（MembraneElectrodeAssembly，MEA）吹扫时间。在燃料电池吹扫试验方面：Tajiri等[7]对使用部分湿化吹扫气体的平衡吹扫和纯干燥气体吹扫进行对比，发现启动电流密度在平衡吹扫和干燥吹扫中均强烈影响水的产生；Tajiri等[8]又设计了一种试验程序实现吹扫数据良好的再现性和一致性，使用电池的HFR作为膜水含量和吹扫效率的指标，发现吹扫性能可以由扩散通量和对流通量决定，同时文献也发现，氦气吹扫效果优于氮气；刘威[9]和罗马吉[10]都对燃料电池进行了二次吹扫试验，结果表明，吹扫时间和吹扫流量可以直观地改变吹扫效果，随着吹扫时间的增加，燃料电池的内阻增大，且随着吹扫流量的增大，内阻的增加速率及最大值都相应提高；Kim等[11]设计了一种新的吹扫方法，结果表明，加氢吹扫在去除催化层周围的残留水方面非常有效。目前，燃料电池的停机吹扫研究多集中于启动和完全停机后的水传递和相变过程，仿真时很少考虑停机后功率输出会持续一段时间。本文基于这种情况对燃料电池在不同条件下的带载吹扫效果进行分析对比，首先利用GAMBIT建立燃料电池三维模型，再基于FLUENT燃料电池模型进行吹扫仿真，从而得到不同吹扫时间和吹扫流量下各组件内的水分布情况，可为燃料电池吹扫提供工程参考。

2燃料电池吹扫模型

2.1基于GAMBIT的燃料电池三维模型常用的三维建模软件有CATIA、SolidWorks、ICEM和GAMBIT等。其中CATIA、SolidWorks等传统建模软件完成建模后，不能对模型进行网格划分，不方便后续FLUENT仿真。ICEM虽然有强大的建模功能，同时也能对模型进行划分，但是其划分过程比较繁琐。而通过GAMBIT的图形用户界面（GUI）可以简单而又直接地完成建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本操作，可满足本文直流道模型的建模要求，因此本文选择GAMBIT作为流体仿真的前处理建模软件。本文建立了燃料电池的单直流道模型，具体参数如表1所示。燃料电池模型的横截面如图1所示，带网格的三维模型如图2所示。建模过程的重点是网格的划分，由于膜电极尺寸过小，划分网格时需要对其进行加密处理。2燃料电池三维网格模型

2.2燃料电池数学模型2.2.1电化学模型燃料电池的电子在极板内的传递方程和粒子的传递过程可表示为[12-14：式中，σsol和σmen分别为固体材料和膜的电导率；ϕsol和ϕmem分别为固相电势和膜电势；Rsol和Rmen分别为固体材料和膜的体积转移电流。电化学反应的核心是阳极、阴极反应速率ηan、ηcat的计算，即活化损失的计算：式中，U0an和U0cat分别为阳极和阴极处的半电池电位。燃料电池的转移电流可以由简化后的塔菲尔（Tafel）公式计算：式中，jan(T)和jcat(T)分别为阳极和阴极每个有效表面积的参考交换电流密度；ζan和ζcat分别为特定的活性表面积；T为燃料电池温度；t为燃料电池反应时间；[A]和[A]ref为当地物质量的参考值；ran和rcat分别为阳极和阴极浓度依赖指数；F为法拉第常数；αanan和αcatan分别为阳极电极的阳极和阴极转移系数；αancat和αcatcat分别为阴极电极的阳极和阴极转移系数；R为电池内阻。2.2.2质量守恒和电流守恒因电化学反应在三相界面（催化剂层）生成的水以及反应物的体积源项为：式中，Mw,H2O、Mw,H2和Mw,O2分别为水、氢气和氧气的摩尔质量；2和4分别为相应反应物和产物的每摩尔电子数。由于在阴极和阳极催化剂层中分别产生的总电流是相同的，所以有电流保持等式：式中，V和v分别为阳极和阴极催化层的体积单元。2.2.3热平衡燃料电池的电化学反应释放出的化学能并非全部转化成了电能，所以需要在热能方程中引入体积源项。电化学反应的总方程可表示为：式中，hreact为电化学反应的净焓变；Ran,cat为阴极和阳极之间电流转移产生的电阻；ηan,cat为阴阳极过电位；Rohm为欧姆内阻；hL为水的相变带来的焓变；I为燃料电池总电流。2.2.4液态水的传递过程燃料电池中液态水的形成和传递过程可以表示为液态水体积分数和水饱和度s的守恒方程[15-16]：式中，ε为孔隙率；ρl为液态水密度；Vl为液体流速；rw为冷凝速率。2.2.5气体的传递燃料电池中的气体（水蒸气、氢气、空气）在其内部扩散传递的过程可以表示为：式中，Di为物料i总的质量扩散率；D0i为物料i在温度T0和压力p0下的质量扩散率；γs为空隙阻塞系数；γp和γl分别为压强和温度的经验系数。

3带载吹扫仿真

3.1燃料电池稳态运行仿真燃料电池在吹扫前需要进行稳态运行仿真，以其结果为基础可以保障不同吹扫结果具有可比性。燃料电池稳态运行仿真的边界条件如表2所示。稳态运行仿真后即可进行燃料电池的非定常仿真，即吹扫仿真。此时需要关闭燃料电池模型的电化学反应选项，包括焦耳热（JouleHeating）、反应热（ReactionHeating）、电化学来源（ElectrochemistrySources）和巴特勒沃尔默率（Butler-VolmerRate）。由于保留了膜水运输（MembraneWaterTransport）、多相（Multiphase）和多组分扩散（MulticomponentDiffusion）选项，模型的能量传递、物质传递以及膜含水量方程中的非稳态项依然处于激活状态，所以可以得到不同气体流量吹扫下燃料电池中水和热量的分布情况。吹扫仿真时，电流密度设为5A/cm2以模拟关机后燃料电池的短时间带载工况。图3给出了燃料电池稳态运行后流道、扩散层和膜电极的含水量情况。可以看出燃料电池的水分布集中在其后半部分，这是由于流动气体会将反应生成的水向下吹扫。阴极催化层的含水量沿着流道方向（Z轴正方向）逐渐减小，其他部件的含水量沿流道方向均呈现增大趋势。阴极的含水量总体上较阳极高，主要原因是燃料电池中的水在阴极生成。入口处各部件的含水量差异很大，但出口处各部件的含水量较为接近。

3.2燃料电池带载吹扫结果分析图4给出了一定吹扫流量（氢气：0.15mg/s，氧气：0.5mg/s）和吹扫时间（60s）下的燃料电池各部件含水量。吹扫后含水量分布与图3趋势相同，但总体含水量大幅减少。MEA的含水量沿Z轴正方向分布较均匀，均处于较高的水平。阴、阳极扩散层的含水量在燃料电池Z轴方向前半段几乎可以忽略不计，在后半段的某位置之后急剧上升。阴、阳极流道的含水量与阴、阳极扩散层的情况类似，但其含水量开始急剧上升的位置更加靠后。图5给出了不同吹扫流量下质子交换膜含水量随时间的变化情况。质子交换膜是燃料电池最核心的部件，其含水量的变化直接影响电池内阻的大小以及燃料电池的性能，因此本文选取质子交换膜来对比分析不同吹扫流量的影响。可以看出，在所有吹扫流量下，膜的含水量在前30s下降均较快，这说明前30s的吹扫除水效率最高。第30~80s的吹扫效率略有下降，但是该时段的吹扫可保证膜的含水量更低。质子交换膜的含水量随着吹扫流量的增加而减小：在吹扫的起始时间段内（前30s），吹扫流量的增加对水含量的减少幅度影响较小；随着吹扫的进行（30s后），其影响逐步增大。图6给出了燃料电池在不同吹扫时间下质子交换膜沿Z轴正方向（流道方向）的含水量分布情况。可以看出，30s吹扫后膜的含水量最多，60s吹扫次之，120s吹扫后膜在沿Z轴正方向（流道方向）各位置的含水量均最少，说明吹扫时间越长，燃料电池质子交换膜的含水量越少。膜的水分布沿Z轴正方向逐渐增多，但分布比较均匀。120s吹扫虽然会使得膜的含水量维持在非常低的水平，但是过长时间的吹扫不仅会造成能量的浪费，也会使燃料电池质子交换膜的湿度过低，从而造成“干膜”现象，损害燃料电池的耐久性。同时，文献[1]、文献[18]的研究也表明，吹扫时间应在120s内才能满足车载燃料电池系统对吹扫的要求。图7给出了不同吹扫流量下的燃料电池质子交换膜沿Z轴正方向（流道方向）水含量分布情况。可以看出，吹扫流量越大，质子交换膜的含水量越少。吹扫流量增倍时，燃料电池各部件的水含量并没有减半，而是仅有较小幅度的减小。对比图6和图7可知，吹扫时间增倍时燃料电池各部件含水量的下降幅度大于吹扫流量增倍时各部件含水量的下降幅度，说明在保证一定吹扫时间和吹扫流量的情况下，吹扫时间对除水效果的影响大于吹扫流量。图8展示了吹扫耗能和吹扫耗时随整体吹扫流量变化的关系。可以看出吹扫耗能随着吹扫流量的增大呈接近线性增大，而吹扫时间则随着吹扫流量的增加逐渐变小。在燃料电池汽车的实际吹扫中，可以通过合理选择吹扫时间和流量，达到耗时与耗能的平衡。

4结束语

本文建立了燃料电池吹扫三维模型，基于FLUENT对燃料电池进行了带载吹扫仿真，探讨了吹扫时间和吹扫流量对燃料电池带载吹扫时各部件沿流道方向水分布的影响，得到以下结论：（1）随着吹扫时间的增加和吹扫流量的增大，燃料电池各个部件的含水量减少。整个燃料电池的水分布集中在燃料电池的后半部分，吹扫过程中应对该区域加大吹扫力度。（2）在保证一定吹扫效果的情况下，吹扫时间对除水效果的影响大于吹扫流量。（3）在吹扫过程中应合理选择吹扫时间和流量，在保证良好的吹扫效果的同时应避免物质和能量的浪费。

参考文献

[1]王勇,邱宜彬,刘志祥.联合辅助负载和N2吹扫停机策略的实验研究[J].太阳能学报,2017(11):3043-3048.

[6]许澎,高源,许思传.质子交换膜燃料电池停机后吹扫仿真[J].同济大学学报(自然科学版),2017,45(12):1873-1878.

[9]刘威.质子交换膜燃料电池吹扫除水与低温冷启动研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[10]罗马吉,王芳芳,刘威,等.二次吹扫条件下的PEMFC冷启动实验[J].华中科技大学学报(自然科学版),2011(6):116-120.

作者：肖成乾 高源 章桐 单位：同济大学