质子交换膜燃料电池双极板脊宽设计对电池性能的影响

质子交换膜燃料电池双极板脊宽设计对电池性能的影响

陆斯钰

贵州梅岭电源有限公司

1.引言

中国又是一个富煤少油少气的国家，面临的能源形势十分严峻。自上世纪70年代以来已经爆发了3次石油危机，最近的一次石油危机是1990年海湾战争的时候，距今已经30年，这30年的时间模糊了许多人对能源危机的印象。但俄乌战争和巴以冲突再一次将能源危机推到了风口浪尖，第四次能源危机似乎正悄然发生。有鉴于此，我们开始寻找新的绿色能源以减轻对传统化石能源的依赖。当前技术比较成熟的绿色能源有风能、潮汐能、地热能、太阳能、核能等。新能源的发展是丰富多样的，但仍存在能源系统总体效率偏低的情况。因此亟需一种介质来存储这些被浪费的能源，氢能就成为了未来能源革命的突破口之一。在氢能的应用中，燃料电池是其中一个重要方向，这是一种将燃料的化学能直接转换为电能的装置，具有很高的发电效率。同时由于没有燃烧过程，当使用氢气为燃料时，排放物质仅为水，完全绿色无污染。在“双碳”背景下，我国已将燃料电池技术列入十四五能源领域科技创新规划中，大力推进燃料电池发展。

在燃料电池的双极板设计过程中，脊宽的设计尤为重要，是决定燃料电池传质和接触电阻的关键因素。合适的脊宽设计能够有效提升燃料电池的性能和寿命。本文将研究脊宽对电流路径、气体传质和电池性能的影响。

2.模型

由于燃料电池的结构具有重复对称性，本研究将模型简化为一个单电池模块以缩短计算时间。本模型中脊宽加槽宽恒等于2mm，所研究的脊宽分别为0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm。本文基于comsol软件中的“高温质子交换膜燃料电池的质量传递”模块进行仿真计算，其结构示意图和模型的计算域如图1所示。

图1 质子交换膜结构示意图和模型计算域与具体尺寸

3. 结果与讨论

3.1脊宽对电流路径的影响

从图2可以看到，随着双极板脊宽宽度的增加，电流路径也随之变短，这有助于减小电池的欧姆损失，从而提高电池性能。另外，增加脊宽相当于增加了双极板与膜电极之间的接触面积，这有利于减小双极板与膜电极的接触电阻，从而提高电池性能。因此，从电流的角度来看，增加脊宽有利于电池性能的发挥。

（a）                            （b）

图2 （a）脊宽0.8mm （b）脊宽1.2mm 在0.7V时的电流路径

3.2 脊宽对阳极氧气传质的影响

从许多学者现有的研究中可以知道，氧气的摩尔分数远大与氢气，这也使得氧气在电极中的扩散要比氢气困难的多。图3展示了两种不同的脊宽在0.7V时阴极氧气浓度的分布。无独有偶的可以发现，无论脊宽多少，脊下的氧气浓度要远低于流道下方的氧气浓度，所以脊在一定程度上限制了氧气在电极中的传质。对比图3（a）和（b）可以发现，随之脊宽的增加，，阴极催化层的氧气浓度从平均0.181降至0.172，下降了4.97%，其中阴极脊下的氧气浓度下降更为明显。

图4对比了不同脊宽在不同电压下对的影响，可以看见阴极催化层的平均氧分压随着电压的降低而降低，电压越低电池功率越高，而电池在高功率的运行条件下对氧分压有着更高的需求。所以需要提升氧分压来满足电池内部的反应需求，观察图4还可以发现氧分压随着脊宽的减小而增加，因此减小脊宽有利于氧气传质，增加阴极催化层的氧分压，从而提高电池性能。

（a）                             （b）

图3 （a）脊宽0.8mm（b）脊宽1.2mm 在0.7V时阴极氧气浓度的分布

图4 脊宽在不同电压下对阴极催化层平均氧分压的影响

3.3 脊宽对电池性能的影响

通过以上研究可以发现，增加脊宽可以缩短电流路径，降低欧姆损失，但另一方面，同时也不利于氧气传质，降低阴极氧分压。因此在额定工作电压0.7V下，一定存在一个脊宽的最佳值，使得电池的输出电流密度达到最高。观察图5可以发现，0.7V的工作电压下，电池性能在脊宽为1.2mm时最高，输出电流密度为2046A/m2。与脊宽为0.8mm的1987A/m2相比，提升了2.97%。

图5 脊宽对输出电流密度的影响

4 总结

本文研究了质子交换膜燃料电池双极板槽宽对电池性能的影响，并通过数值模拟方法呈现了不同槽宽下电池电流路径的分布以及电池内部的传质情况。以此说明了电池性能发生变化的原因。主要结论如下：

（1）脊宽越大，电流路径越短，电池的欧姆损失越小；脊宽越大，双极板与膜电极的接触面积越大，接触电阻越小。因此从电流角度看脊宽增大有利于电池性能发挥。

（2）脊宽越大，脊下气体传质效果越差，阴极催化层的氧分压越小，不有利于电池性能发挥。

（3）脊宽越大有利于导电，但不利于传质。因此在额定工作电压0.7V时存在最佳脊宽为1.2mm，此时输出电流密度为2046 A/m2。