PEMFC的实验性放大技术：流体力学方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Experimental scale up techniques for PEMFC: Fluid mechanics approach

　　Guneyhan Tol|Anil Can Turkmen|Cenk Celik|Fatma Gül Boyac? San
土耳其科贾埃利大学工程学院机械工程系，科贾埃利，41380

摘要
本研究设计了三种不同尺寸的燃料电池，仅改变其活性区域大小，以此评估尺寸变化对质子交换膜燃料电池性能的影响。实验中准备了活性区域分别为50平方厘米、100平方厘米和225平方厘米的燃料电池，并在相同条件下进行测试。所有电池均采用性质相同的材料制成。流量计算基于由活性区域大小确定的电流密度。为确保氢气在深度相同的通道中以相同的平均线速度流动，针对所有燃料电池建立了基于有限元方法的单相等温流体力学模型。该模型分析了不同化学计量比条件下的流速及压力降情况。通过将实际电池的压降数据与模型预测结果进行比较，验证了模型的准确性。此外，还在相同条件下比较了仅活性区域大小不同的电池的性能。

引言
随着能源需求的增长以及人们对化石燃料环境问题的关注，人们越来越重视太阳能、风能、生物质能和氢能等可持续能源。燃料电池因其能通过电化学反应直接将化学能转化为电能，且不受卡诺效率的限制，因而具有很大优势[1,2]。质子交换膜燃料电池因其较低的运行温度、较高的功率密度、快速的启动速度以及较低的排放量而备受瞩目[3,4]。然而，耐久性、成本以及氢气基础设施方面的问题仍限制了其大规模商业化应用[5]。

质子交换膜燃料电池由双极板、集流器、端板、气体扩散层、微孔层、催化剂层以及具有质子传导性的电解质组成。这些组件的设计会影响燃料电池的性能、耐久性和成本。氢气和氧气在催化剂区域内发生电化学反应，生成水和水能[6]。质子交换膜燃料电池中的反应如下，对应方程式（1）、（2）、（3）：
阳极：H2→2H++2e?
阴极：1/2O2+2H2+2e?→H2O
总反应：H2+1/2O2→H2O

已有不少研究致力于降低质子交换膜燃料电池的成本、开发新型材料以及改进系统整体性能[【7】, [8], [9], [10】]，这些研究主要聚焦于催化剂优化、氢气利用以及便携式应用领域。Bin Wang等人建立了具有双通道平行流场的质子交换膜燃料电池三维两相数值模型，进而研究了四种不同流场配置下尺度效应和流动均匀性对流场形态的影响。这四种流场分别为传统平行流场、正弦波流场、反向正弦波流场以及阶梯式反向正弦波流场。他们的综合评估依据是净功率密度，结果表明，阶梯式反向正弦波流场在平衡气流方面表现更为优异，是商业规模燃料电池反应区的良好选择[11]。Turkmen等人研究了具有平行通道的直接甲醇燃料电池中流道几何结构与压力降之间的统计关系，发现流道设计、反应物分布、水分管理以及压力降等因素都会直接影响电池性能，且流道宽度会对压力降产生显著影响，而通道间距与压力降之间则不存在显著关联[12]。Lim等人利用ANSYS Fluent模块对燃料电池的改进型平行流场设计进行了数值分析，旨在避免不规则的流场分布和高压力降问题，从而提升燃料电池的功率。在对比了不同活性区域以及双入口/单出口和单入口/单出口配置的研究中，他们发现，改进后的单入口/单出口活性区域由于反应物和压力的均匀分布，使得燃料电池性能得到提升，从而实现了对整个活性区域的高效利用[13]。Yulong Ding等人运用有限体积法进行了三维计算流体动力学模拟，研究通道连接方式对平行流场中两相流分布的影响。实验表明，如果在流道之间设置额外的连接通道，会显著影响气体流动以及气体和水的分布。他们认为，过宽的连接通道会导致气体绕过液体流动，而过窄的通道则会因毛细作用而被水完全覆盖，从而阻碍气体流动。虽然连接通道对压力降的影响很小，但他们认为宽通道会因滞留水分而导致压力上升。实验还表明，理想宽度的连接通道能够有效调节气体分布并便于水分排出[14]。S. Arun等人开展了一项优化研究，探讨了不同双极板设计对水分管理以及压力降变化对放大后（225平方厘米）质子交换膜燃料电池性能的影响。他们设计了四种流道形状：蛇形平行流道、蛇形之字流道、直线平行流道以及直线之字流道。结果显示，蛇形之字流道具有最小的压力损失和最佳的水分分布效果。在这种流道结构中，由于氢气和氧气的分布更加均匀，因此它们的消耗效率更高，同时水分也能更易于从流道中排出[15]。Wang等人对更大规模的商用质子交换膜燃料电池进行了数值研究，建立了这类燃料电池的三维两相数值模型，研究了活性区域分别为94.2平方厘米、165.6平方厘米、260平方厘米、373.2平方厘米和509.6平方厘米的电池。他们指出，在放大研究中，性能下降是由于传统平行平板流场的传输能力有限，而非流动不规则所致。因此，他们在阴极气体流道的2/3位置及更靠后的地方添加了结构块，以促进物质传递，从而提升了电池性能[16]。Peng等人利用印刷电路板技术及分流电阻阵列，测量并分析了面积为250平方厘米、功率为3千瓦的商用质子交换膜燃料电池堆内的电流密度分布情况。活性区域内的非均匀反应会导致平均输出性能下降，还会引发局部过热和局部积水问题，这些问题进而会导致膜材降解、双极板涂层腐蚀、整体效率降低以及电池使用寿命缩短。局部电流密度的均匀性与流场结构以及电池堆的组装条件密切相关。研究表明，接触压力较大的区域通过的电流较大，而接触压力较小的区域通过的电流较小。随着输出电流的增加，局部电流密度的偏差会变大，而归一化电流的分布则更为均匀[17]。Li等人强调，双极板在质子交换膜燃料电池的性能中起着至关重要的作用，因为它们负责反应物的分配、电流收集、水分排出以及提供机械支撑，同时占电池堆总重量的60%以上，以及整个系统成本的近30%[18]。Pan等人研究了多种流场结构，包括平行流道、蛇形流道以及针状流道，结果表明，增强的对流速度能够显著提升物质传递效率以及功率密度[19]。Jiang等人发现，阶梯式流场可以通过促进更均匀的温度和浓度分布，改善氧气的输送以及水分的排出，尤其是在高电流密度条件下，这使得净功率密度相比传统平板流道可提高17.55%[20]。Brakni等人进一步证实，收缩-扩张型流道结构能够提升流体速度和压力降，从而改善流场分布、膜材的湿润程度以及整个燃料电池的性能[21]。

本研究在相同条件下比较了具有相同设计参数的燃料电池，唯一的变化因素是活性区域的尺寸。该研究的独特之处在于，首先确定了相应的设计参数，以确保流道内的平均线速度保持不变，随后才进行建模，并在此基础上开展实验研究。由于燃料电池内的反应属于电化学反应，因此保持流道深度恒定对于进行比较至关重要，而本研究也做到了这一点。另一个需要保持恒定的参数是流道内氢气的平均线速度，为此，研究保持了流道直径不变，同时随着尺寸的增大增加流道数量，从而确保所有燃料电池中氢气的平均线速度一致。研究还设计了专用歧管，以便向每个流道输送相同体积的反应气体。所有燃料电池的反应气体进出口均为横向设置。经测量，所设计燃料电池中双极板流道面积与总表面积的比例在50.31%到51.08%之间，这一比例处于现有文献中证明较为有效的范围内[22]。

本研究最显著的特点在于，没有对大型活性区域进行特殊优化。因此，在其他所有参数保持不变的情况下，研究重点仅为观察活性区域尺寸变化对燃料电池性能的影响。本研究中所制造的所有燃料电池组件均采用相同材料，并通过相同的方法制造。为了使所有燃料电池内的压力保持一致，还进行了压缩扭矩计算。所有电池都在相同条件下进行了燃料电池预处理，实验也在相同的测试系统中、在相同条件下进行。

材料与方法
实验中使用的化学品、电极材料及设备如下：
纯氢气（Haba?，CAS编号：1333-74-0，纯度99.9%）、纯氧气（Haba?，CAS编号：7782-44-7，纯度99.9%）、纯氮气（Haba?，CAS编号：7727-37-9，纯度99.9%）、硫酸（Sigma-Aldrich，CAS编号：7664-93-9，纯度98%）、过氧化氢（CAS编号：7722-84-1，浓度35%）、Nafion?全氟树脂溶液（CAS编号：31175-20-9，D2020型号，浓度920 EW）、膜材（Chemours Nafion XL）、气体扩散层（Sigracet 29bc）、催化剂（Vulcan XC-72R，含20%铂）。

结果与讨论
图4展示了流场分布情况。在双通道和四通道蛇形流道结构中，设计了专门的歧管，以确保各流道中的流量相等。实验结果表明，不同活性区域下的流速差异非常小。图5（A）展示了在不同化学计量比条件下，所需氢气流量与目标电流密度及活性区域大小之间的关系。随着化学计量比和活性区域的增大，所需的氢气流量也会相应增加。

结论
本研究通过结合流场建模与单电池实验，研究了在质子交换膜燃料电池放大过程中流道几何结构的影响。研究采用了三种不同的活性区域，并在三种不同的化学计量比下通入氢气，同时假设所有电池在相同的电流密度下工作，据此计算了各电池的流量。为了确保不同设计结构下的流道内流速相近，研究人员对流道尺寸进行了调整。模拟结果表明，较高的化学计量比会……

作者贡献声明
Guneyhan Tol：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源准备、实验研究。
Anil Can Turkmen：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。
Cenk Celik：撰写——审稿与编辑、项目指导。
Fatma Gül Boyac? San：撰写——审稿与编辑、数据可视化、项目指导。

利益冲突声明
本篇题为《质子交换膜燃料电池的实验性放大技术：流体力学方法》的原创研究论文不存在任何利益冲突。

致谢
本研究得到了土耳其科学技术研究委员会的资助。相关研究在土耳其科学技术研究委员会旗下的燃料电池与电解槽技术研发测试中心开展，同时也得到了土耳其发展计划部资助的项目（2023K12-195740）的支持。