摘要：為解決車載燃料電池停機后因氣道中殘留氫氣而在一段時間內(nèi)維持開路電壓狀態(tài)的問題，基于GAMBIT建立了燃料電池三維模型，利用FLUENT對其進(jìn)行帶載吹掃仿真。仿真結(jié)果表明，燃料電池的水分布集中在其后半部分，且含水量隨吹掃流量和時間的增加而減?。辉诖祾吡髁窟_(dá)到正常進(jìn)氣流量量級的情況下，前30s的吹掃除水效率最高；第30~80s的吹掃效率稍微下降，但保證了更好的吹掃效果；在吹掃時間和吹掃流量有一定效果的情況下，吹掃時間對除水效果的影響大于吹掃流量。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）如果長時間處于低溫環(huán)境，其運行過程中生成的水可能結(jié)冰，影響電池性能。因此，燃料電池停機后進(jìn)行吹掃除水對提高冷啟動能力十分重要。

　　車載燃料電池停機后由于氣道中殘留有氫氣而在一段時間內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，維持開路電壓[1]，使其處于帶載狀態(tài)。通過對燃料電池進(jìn)行帶載吹掃仿真可以更加準(zhǔn)確地還原其停機后的真實吹掃情況，為解決燃料電池冷啟動問題提供更加精確的吹掃方案。軍事氣模

　　在燃料電池吹掃建模方面：Bradean等[2]建立了一維模型研究吹掃后燃料電池內(nèi)的水分布情況，并發(fā)現(xiàn)電池的溫度是控制吹掃效果的最敏感條件；Sinha和Wang[3]建立了三維兩相流模型，并根據(jù)膜的高頻電阻（High Frequency Resistance，HFR）將吹掃過程分為4個階段，同時發(fā)現(xiàn)，高氣體流量、高電池溫度及干燥的吹掃氣體有利于水的清除；隨后，他們建立了更加復(fù)雜的三維兩相流模型[4]，證實了純陰極吹掃的潛在無效性；Basu等[5]建立了多流道平行的燃料電池模型，仿真發(fā)現(xiàn)，由于各流道流動阻率的不同，會出現(xiàn)氣體流動不均勻現(xiàn)象，使反應(yīng)速率不均勻，從而影響電池壽命；許澎[6]建立了一維燃料電池吹掃水傳遞模型，仿真和試驗結(jié)果表明，增加陽極氣體流量可減緩吹掃過程中水從陰極到陽極的反擴(kuò)散現(xiàn)象，從而顯著減少膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA）吹掃時間。

　　在燃料電池吹掃試驗方面：Tajiri等[7]對使用部分濕化吹掃氣體的平衡吹掃和純干燥氣體吹掃進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)啟動電流密度在平衡吹掃和干燥吹掃中均強烈影響水的產(chǎn)生；Tajiri等[8]又設(shè)計了一種試驗程序?qū)崿F(xiàn)吹掃數(shù)據(jù)良好的再現(xiàn)性和一致性，使用電池的HFR作為膜水含量和吹掃效率的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)吹掃性能可以由擴(kuò)散通量和對流通量決定，同時文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)，氦氣吹掃效果優(yōu)于氮氣；劉威[9]和羅馬吉[10]都對燃料電池進(jìn)行了二次吹掃試驗，結(jié)果表明，吹掃時間和吹掃流量可以直觀地改變吹掃效果，隨著吹掃時間的增加，燃料電池的內(nèi)阻增大，且隨著吹掃流量的增大，軍事氣模內(nèi)阻的增加速率及最大值都相應(yīng)提高；Kim等[11]設(shè)計了一種新的吹掃方法，結(jié)果表明，加氫吹掃在去除催化層周圍的殘留水方面非常有效。

　　目前，燃料電池的停機吹掃研究多集中于啟動和完全停機后的水傳遞和相變過程，仿真時很少考慮停機后功率輸出會持續(xù)一段時間。軍事氣模本文基于這種情況對燃料電池在不同條件下的帶載吹掃效果進(jìn)行分析對比，首先利用GAMBIT建立燃料電池三維模型，再基于FLUENT燃料電池模型進(jìn)行吹掃仿真，從而得到不同吹掃時間和吹掃流量下各組件內(nèi)的水分布情況，可為燃料電池吹掃提供工程參考。

　　常用的三維建模軟件有CATIA、SolidWorks、軍事氣模ICEM和GAMBIT等。其中CATIA、SolidWorks等傳統(tǒng)建模軟件完成建模后，不能對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不方便后續(xù)FLUENT仿真。ICEM雖然有強大的建模功能，同時也能對模型進(jìn)行劃分，軍事氣模但是其劃分過程比較繁瑣。而通過GAMBIT的圖形用戶界面（GUI）可以簡單而又直接地完成建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本操作，可滿足本文直流道模型的建模要求，因此本文選擇GAMBIT作為流體仿真的前處理建模軟件。

　　燃料電池模型的橫截面如圖1所示，帶網(wǎng)格的三維模型如圖2所示。建模過程的重點是網(wǎng)格的劃分，由于膜電極尺寸過小，劃分網(wǎng)格時需要對其進(jìn)行加密處理。

　　穩(wěn)態(tài)運行仿真后即可進(jìn)行燃料電池的非定常仿真，即吹掃仿真。此時需要關(guān)閉燃料電池模型的電化學(xué)反應(yīng)選項，包括焦耳熱（Joule Heating）、反應(yīng)熱（Reaction Heating）、電化學(xué)來源（Electrochemistry Sources）和巴特勒沃爾默率（Butler-Volmer Rate）。由于保留了膜水運輸（Membrane Water Transport）、多相（Multiphase）和多組分?jǐn)U散（Multicomponent Diffusion）選項，模型的能量傳遞、物質(zhì)傳遞以及膜含水量方程中的非穩(wěn)態(tài)項依然處于激活狀態(tài)，所以可以得到不同氣體流量吹掃下燃料電池中水和熱量的分布情況。吹掃仿線

　　圖3給出了燃料電池穩(wěn)態(tài)運行后流道、擴(kuò)散層和膜電極的含水量情況?？梢钥闯鋈剂想姵氐乃植技性谄浜蟀氩糠?，這是由于流動氣體會將反應(yīng)生成的水向下吹掃。陰極催化層的含水量沿著流道方向（Z軸正方向）逐漸減小，其他部件的含水量沿流道方向均呈現(xiàn)增大趨勢。陰極的含水量總體上較陽極高，主要原因是燃料電池中的水在陰極生成。入口處各部件的含水量差異很大，但出口處各部件的含水量較為接近。

　　圖4給出了一定吹掃流量（氫氣：0.15mg/s，氧氣：0.5mg/s）和吹掃時間（60s）下的燃料電池各部件含水量。吹掃后含水量分布與圖3趨勢相同，但總體含水量大幅減少。MEA的含水量沿Z軸正方向分布較均勻，均處于較高的水平。陰、陽極擴(kuò)散層的含水量在燃料電池Z軸方向前半段幾乎可以忽略不計，在后半段的某位置之后急劇上升。陰、陽極流道的含水量與陰、陽極擴(kuò)散層的情況類似，但其含水量開始急劇上升的位置更加靠后。

　　圖5給出了不同吹掃流量下質(zhì)子交換膜含水量隨時間的變化情況。質(zhì)子交換膜是燃料電池最核心的部件，其含水量的變化直接影響電池內(nèi)阻的大小以及燃料電池的性能，因此本文選取質(zhì)子交換膜來對比分析不同吹掃流量的影響。可以看出，在所有吹掃流量下，膜的含水量在前30s下降均較快，這說明前30s的吹掃除水效率最高。第30~80s的吹掃效率略有下降，但是該時段的吹掃可保證膜的含水量更低。質(zhì)子交換膜的含水量隨著吹掃流量的增加而減小：在吹掃的起始時間段內(nèi)（前30s），吹掃流量的增加對水含量的減少幅度影響較?。浑S著吹掃的進(jìn)行（30s后），其影響逐步增大。

　　圖6給出了燃料電池在不同吹掃時間下質(zhì)子交換膜沿Z軸正方向（流道方向）的含水量分布情況。可以看出，30s吹掃后膜的含水量最多，60s吹掃次之，120s吹掃后膜在沿Z軸正方向（流道方向）各位置的含水量均最少，說明吹掃時間越長，燃料電池質(zhì)子交換膜的含水量越少。膜的水分布沿Z軸正方向逐漸增多，但分布比較均勻。120s吹掃雖然會使得膜的含水量維持在非常低的水平，軍事氣模但是過長時間的吹掃不僅會造成能量的浪費，也會使燃料電池質(zhì)子交換膜的濕度過低，從而造成“干膜”現(xiàn)象，損害燃料電池的耐久性。同時，文獻(xiàn)[1]、軍事氣模文獻(xiàn)[18]的研究也表明，吹掃時間應(yīng)在120s內(nèi)才能滿足車載燃料電池系統(tǒng)對吹掃的要求。

　　圖7給出了不同吹掃流量下的燃料電池質(zhì)子交換膜沿Z軸正方向（流道方向）水含量分布情況。可以看出，吹掃流量越大，質(zhì)子交換膜的含水量越少。吹掃流量增倍時，燃料電池各部件的水含量并沒有減半，而是僅有較小幅度的減小。對比圖6和圖7可知，吹掃時間增倍時燃料電池各部件含水量的下降幅度大于吹掃流量增倍時各部件含水量的下降幅度，說明在保證一定吹掃時間和吹掃流量的情況下，吹掃時間對除水效果的影響大于吹掃流量。

　　本文建立了燃料電池吹掃三維模型，基于FLUENT對燃料電池進(jìn)行了帶載吹掃仿真，探討了吹掃時間和吹掃流量對燃料電池帶載吹掃時各部件沿流道方向水分布的影響，得到以下結(jié)論：（1）隨著吹掃時間的增加和吹掃流量的增大，燃料電池各個部件的含水量減少。整個燃料電池的水分布集中在燃料電池的后半部分，吹掃過程中應(yīng)對該區(qū)域加大吹掃力度。軍事氣模

　　（3）在吹掃過程中應(yīng)合理選擇吹掃時間和流量，在保證良好的吹掃效果的同時應(yīng)避免物質(zhì)和能量的浪費。