陰極擴(kuò)散層孔隙率不同分布對PEMFC性能的影響

張 寧，張小娟

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院核工程與新能源技術(shù)系，四川樂山614000)

陰極擴(kuò)散層孔隙率不同分布對PEMFC性能的影響

張 寧，張小娟

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院核工程與新能源技術(shù)系，四川樂山614000)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極擴(kuò)散層孔隙率分布對電池性能影響很大。建立了一個單電池的三維模型，分別考慮了陰極擴(kuò)散層孔隙率單一分布、線性梯度分布、隨機(jī)分布等情況，并用有限控制體法對模型進(jìn)行了求解。研究結(jié)果表明，在大電流密度下，陰極擴(kuò)散層孔隙率的不同分布形態(tài)會不同程度地影響陰極氧氣質(zhì)量傳輸和液態(tài)水的排出，從而影響電池性能。

質(zhì)子交換膜；燃料電池；擴(kuò)散層；孔隙率；分布；模擬

Abstract:The performance of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)was significantly affected by the porosity distribution of cathode Gas diffusion layer(GDL).A three-dimensional fuel cell model was created and solved by means of finite control volume method.Several distributions,such as single distribution,gradient distribution and random distribution for gas diffusion layer porosity,were considered.The results show that,at large current density,cathode oxygen transport and liquid water discharging are affected by the different distribution patterns of diffusion layer porosity,and the fuel cell performance is influenced.

Key words:proton exchange membrane;fuel cell;gas diffusion layer;porosity;distribution;modeling

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)氣體擴(kuò)散層(GDL)起著支撐催化層、傳遞反應(yīng)氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等重要作用[1]，其孔隙形態(tài)及分布對電池的性能有著重要的影響。李英等建立質(zhì)子交換膜燃料電池一維兩相傳遞模型，研究了擴(kuò)散層孔隙率、厚度、接觸角、滲透率對陰極水淹的影響[2]。范留飛等采用實驗和有限元模擬相結(jié)合的方法研究了封裝力對氣體擴(kuò)散層孔隙率的影響[3]。Chu H S等從平均孔隙率的角度出發(fā)，提出了孔隙率梯度變化的擴(kuò)散層，并建立一維模型，研究不同電流密度下不同孔隙率影響氧氣傳輸導(dǎo)致極限電流密度的變化，即孔隙率對濃差極化的影響[4]。劉坤等研究了在平面內(nèi)孔隙率間隔變化分布的氣體擴(kuò)散層對燃料電池性能的影響。認(rèn)為孔隙率間隔分布擴(kuò)散層具有良好的排水導(dǎo)氣特性，提高了電池的性能[5]。詹志剛等分別建立了一維模型和三維模型，研究了擴(kuò)散層孔隙率沿厚度方向梯度變化時燃料電池內(nèi)部的傳輸現(xiàn)象、排水能力和電池性能。結(jié)果表明,梯度擴(kuò)散層能夠提高液態(tài)水和氣體的通過能力，從而提高電池的性能，且孔隙率梯度越大排水性能越好[6－7]。我們曾建立了單電池的三維模型，從統(tǒng)計的觀點研究孔隙率隨機(jī)分布對電池性能和MEA溫度的影響[8]。本文將在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究和對比陰極擴(kuò)散層孔隙率單一分布、線性梯度分布、隨機(jī)分布等不同分布對電池性能和內(nèi)部傳質(zhì)現(xiàn)象的不同影響。

1 計算模型

1.1 控制方程

質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)氣體經(jīng)過流道、擴(kuò)散層到達(dá)催化層，在催化層中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水并產(chǎn)生電能。計算模擬所遵守的各方程表達(dá)式[8]。

1.2 幾何模型、變量參數(shù)及計算假設(shè)

本計算所采用的計算模型為單直流道的燃料電池模型，幾何模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。因主要研究陰極擴(kuò)散層孔隙率分布對電池性能的影響，考慮到求解的精度，對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，特別是對陰極擴(kuò)散層的網(wǎng)格劃分進(jìn)行了細(xì)化，沿厚度方向劃分了20個節(jié)點，求解的總規(guī)模為29400個個體網(wǎng)格。其詳細(xì)模型尺寸和網(wǎng)格劃分如表1所示。計算中采用的主要變量參數(shù)同文獻(xiàn)[8]中的主要變量及參數(shù)。在計算中，針對模型采取了以下假設(shè)：燃料電池在在353 K條件下穩(wěn)態(tài)運行；反應(yīng)氣為不可壓縮理想氣體；孔隙率的不同分布不影響接觸電阻；不考慮孔徑大小及其分布等因素；液態(tài)水為細(xì)小的霧狀，當(dāng)成氣體來處理。

圖1 電池幾何模型示意圖

表1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

1.3 計算方案

在保證陰極擴(kuò)散層平均孔隙率均為0.5的情況下，利用流體動力學(xué)仿真軟件Fluent中的PEM模塊及其用戶自定義功能UDF實現(xiàn)了擴(kuò)散層孔隙率的單一統(tǒng)計分布、線性梯度分布；利用C語言的隨機(jī)函數(shù)，實現(xiàn)了擴(kuò)散層孔隙率的均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布[9]。并分別模擬了陰極擴(kuò)散層孔隙率單一分布、線性梯度分布、隨機(jī)分布，即均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布4種不同情況下的單電池性能。

陰極擴(kuò)散層孔隙率的單一分布、線性梯度分布如式(7)和式(8)所示、孔隙率隨位置的變化如圖2所示，其中，孔隙率沿厚度方向線性梯度變化，本文采取孔隙率沿傳質(zhì)方向從催化層與擴(kuò)散層交界面處的0.3線性梯度變化到擴(kuò)散層與流道交界面處的0.7為例進(jìn)行計算。

圖2 孔隙率單一分布和線性梯度分布

單一分布：

線性梯度分布：

因真實的陰極擴(kuò)散層受材料和工藝的限制，孔隙分布具有隨機(jī)性，該隨機(jī)分布從統(tǒng)計的觀點，更趨近于均勻統(tǒng)計分布或正態(tài)統(tǒng)計分布。故本文利用C語言的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生大量數(shù)值為0～1之間的服從均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的偽隨機(jī)數(shù)作為陰極擴(kuò)散層每個網(wǎng)格的孔隙率，其生成的隨機(jī)數(shù)按0.01的間距統(tǒng)計，統(tǒng)計所滿足的密度函數(shù)如式(9)和式(10)所示、統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。

圖3 孔隙率兩種隨機(jī)分布

均勻統(tǒng)計分布：

正態(tài)統(tǒng)計分布：

2 結(jié)果及分析

圖4為陰極擴(kuò)散層孔隙率分別滿足均勻統(tǒng)計分布、正態(tài)統(tǒng)計分布、單一統(tǒng)計分布和梯度分布四種不同分布時燃料電池的伏安特性曲線。由圖4可知，陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布時電池性能最好、陰極擴(kuò)散層孔隙率單一統(tǒng)計分布時電池性能次之、陰極擴(kuò)散層孔隙率正態(tài)統(tǒng)計分布時電池性能較差、陰極擴(kuò)散層孔隙率均勻統(tǒng)計分布時電池性能最差，這可由圖5～圖7進(jìn)行解釋。

圖4 擴(kuò)散層孔隙率不同分布時電池伏安特性曲線

圖5為電流密度為1 A/cm2時沿流道方向擴(kuò)散層和催化層交界面中線的氧氣摩爾濃度分布。由圖5可知，在擴(kuò)散層和催化層交界面沿流道方向，四種電池氧氣均因參與化學(xué)反應(yīng)消耗而使其濃度不斷減小。但陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布和單一統(tǒng)計分布的電池，氧氣摩爾濃度分布比較均勻，且平均值相對較大，其中陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布的電池氧氣摩爾濃度平均值最大。這是因為陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布和單一統(tǒng)計分布時，孔隙率分布比較規(guī)則，有利于氧氣從流道到催化層的單方向傳質(zhì)。同時也說明孔隙率線性梯度分布陰極擴(kuò)散層氣體傳質(zhì)優(yōu)于孔隙率單一統(tǒng)計分布陰極擴(kuò)散層。陰極擴(kuò)散層孔隙率均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的電池，氧氣摩爾濃度分布大小不均，且整體平均值較低，其中，孔隙率均勻統(tǒng)計分布的電池氧氣摩爾濃度最低。這是因為陰極擴(kuò)散層孔隙率均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布時，因孔隙率的無規(guī)則分布，大孔隙率處，孔隙體積較大，氧氣濃度較高。小孔隙率處，孔的體積較小，氧氣濃度較低。氧氣濃度分布局部的大小不均，不利于氣體的單方向傳質(zhì)。同時也說明孔隙率均勻統(tǒng)計分布的擴(kuò)散層氣體傳質(zhì)差于擴(kuò)散層正態(tài)統(tǒng)計分布擴(kuò)散層氣體的傳質(zhì)。

圖5 擴(kuò)散層和催化層交界面中線氧氣的摩爾濃度分布

圖6為電流密度為1 A/cm2時沿流道方向擴(kuò)散層和催化層交界面中線水的摩爾濃度分布。由圖6可知，在陰極擴(kuò)散層和催化層交界面中線沿流道方向，因反應(yīng)生成物水從流道出口處的排出，沿流道方向水的摩爾濃度不斷增加，水向擴(kuò)散層的反擴(kuò)散也不斷增加，導(dǎo)致四種電池水的摩爾濃度分布均逐漸升高。但在擴(kuò)散層和催化層交界面上，陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布和單一統(tǒng)計分布的電池，水的摩爾濃度分布比較均勻，且平均值相對較小，其中陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布的電池水的摩爾濃度平均值最小。這是因為陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布和單一統(tǒng)計分布的擴(kuò)散層，在網(wǎng)格體積一定時，孔隙率的規(guī)則分布使各處孔的體積趨于相同，利于充分發(fā)揮各孔整體的排水能力。整體排水能力越強，剩余水的摩爾濃度就越小。這也說明陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布時排水能力優(yōu)于孔隙率單一統(tǒng)計分布時的排水能力，與文獻(xiàn)[7]結(jié)論一致。陰極擴(kuò)散層孔隙率均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的電池，水的摩爾濃度分布局部大小不均，且整體平均值相對較高，其中孔隙率均勻統(tǒng)計分布的電池水的摩爾濃度平均值最高。這是因為孔隙率均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的陰極擴(kuò)散層，孔隙率的無規(guī)則分布使各處孔的體積或大或小，不能充分發(fā)揮各孔整體的排水能力，因此剩余水的摩爾濃度就相對較大。這也說明孔隙率均勻統(tǒng)計分布擴(kuò)散層的排水能力差于孔隙率正態(tài)統(tǒng)計分布擴(kuò)散層的排水能力。

圖6 擴(kuò)散層和催化層交界面中線水的摩爾濃度分布

圖7為不同電流密度下陰極側(cè)膜表面上的過電勢分布。由圖7可知，隨著電流密度的增加，陰極側(cè)膜表面的過電勢在增加。這主要是因為大電流密度下，電池的輸出電壓損失主要由濃差極化造成，電流密度越大，濃差極化越強。同時，在大電流密度下，陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布的電池，膜表面的過電勢最低，陰極擴(kuò)散層孔隙率單一統(tǒng)計分布的電池其次，陰極擴(kuò)散層孔隙率正態(tài)統(tǒng)計分布的電池再次，陰極擴(kuò)散層孔隙率均勻統(tǒng)計分布的電池最高。這主要是因為在大電流密度區(qū)域，不同孔隙率分布的擴(kuò)散層對氧氣的傳輸和水的排出性能不同，造成的濃差極化也不同，故而引起電池的性能不同?？紫堵示€性梯度分布的陰極擴(kuò)散層傳質(zhì)性能最好，大電流密度下濃差極化較小，因此陰極側(cè)膜表面的過電勢較小，電池性能最好?？紫堵示鶆蚪y(tǒng)計分布的陰極擴(kuò)散層傳質(zhì)性能最差，大電流密度下濃差極化最大，因此陰極側(cè)膜表面的過電勢最大，電池性能最差。

圖7 不同電流密度下陰極側(cè)膜的表面過電勢分布

因此，不同的孔隙率分布形態(tài)對氧氣傳質(zhì)和水的排除性能不同，從而影響電池的濃差極化，影響電池的性能?？紫堵孰S機(jī)分布，即均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的陰極擴(kuò)散層不利于氧氣和水的傳質(zhì)，尤其是孔隙率均勻統(tǒng)計分布的擴(kuò)散層，性能最差，在制作時應(yīng)該避免；孔隙率線性梯度分布的陰極擴(kuò)散層有利于氧氣和水的傳質(zhì)，在制作時應(yīng)該使其孔隙率盡量沿傳質(zhì)方向梯度分布。

3 結(jié)論

對陰極擴(kuò)散層孔隙率滿足單一統(tǒng)計分布、線性梯度分布、隨機(jī)分布，即均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的PEM燃料電池進(jìn)行了模擬，并進(jìn)行了對比和分析，得到以下結(jié)論：(1)在大電流密度下陰極擴(kuò)散層孔隙率不同分布對電池性能影響比較顯著；(2)大電流密度下，當(dāng)量平均孔隙率相同時，陰極擴(kuò)散層孔隙率線性梯度分布的電池性能最好、陰極擴(kuò)散層孔隙率單一統(tǒng)計分布的電池性能次之、陰極擴(kuò)散層孔隙率正態(tài)統(tǒng)計分布的電池性能較差、陰極擴(kuò)散層孔隙率均勻統(tǒng)計分布的電池性能最差；(3)不同孔隙率分布形態(tài)對氧氣傳質(zhì)和水的排除能力不同，進(jìn)而影響電池的性能?？紫堵孰S機(jī)分布，即均勻統(tǒng)計分布和正態(tài)統(tǒng)計分布的陰極擴(kuò)散層性能較差，在擴(kuò)散層制作時應(yīng)該避免；孔隙率線性梯度分布的陰極擴(kuò)散層有利于氧氣的傳質(zhì)和水的排出，在擴(kuò)散層制作時應(yīng)該盡量使其孔隙率沿傳質(zhì)方向線性梯度分布。

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Influence of different porosity distribution in cathode GDL on FEMFC performance

ZHANG Ning,ZHANG Xiao-juan
(Department of Nuclear Engineering and New Energy,The Engineering and Technical College of Chengdu University of Technology,Leshan Sichuan 614000,China)

TM 911

A

1002-087X(2017)09-1296-03

2017-02-01

張寧(1980—），男，河南省人，碩士，講師，主要研究方向為質(zhì)子交換膜燃料電池的建模及仿真。