車用質(zhì)子交換膜燃料電池水分布分析

周 雨

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

汽車工業(yè)的不斷發(fā)展為我們的日常生活帶來諸多便捷的同時，也帶來了資源枯竭、環(huán)境惡化以及能源安全問題等[1]。發(fā)展和推廣新能源汽車成了解決能源短缺問題，推動綠色發(fā)展的有力舉措[2]。質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有無污染、能量密度高、續(xù)航里程長、加氫迅速等優(yōu)點[3]，其非常適于應(yīng)用在汽車上。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池的性能仍有很大的提高空間，由于受到電池性能等問題的影響，質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的推廣受到阻礙。通過對PEMFC進(jìn)行水管理可以在電池內(nèi)部保持良好的水平衡關(guān)系，達(dá)到大幅提高電池性能的目的，因此，對PEMFC進(jìn)行水管理必不可少[4]。

了解PEMFC內(nèi)部水濃度分布規(guī)律是進(jìn)行水管理的前提。電池中水過多或過少都會使電池性能下降，水過多時，會發(fā)生“水淹”現(xiàn)象，淹沒多孔電極阻礙電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，還會使催化劑活性下降，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率減慢，最終導(dǎo)致電池性能下降[5]；水過少時，質(zhì)子交換膜失水干涸，對質(zhì)子從陽極向陰極的傳遞造成阻礙，也會降低電池的性能[6]。

PEMFC的水管理對提高電池性能有著重要意義，對氫燃料電池汽車早日推廣應(yīng)用也有著實際意義，而了解PEMFC內(nèi)的水濃度分布規(guī)律又是進(jìn)行水管理的基礎(chǔ)，也是本文的重點研究內(nèi)容。

1 PEMFC模型的建立

1.1 PEMFC的工作原理

40～80 ℃是質(zhì)子交換膜燃料電池最佳的工作溫度，其工作原理是氫氣通過雙極板上的流道到達(dá)電池陽極氣體擴(kuò)散層、氧氣通過流道到達(dá)陰極氣體擴(kuò)散層、反應(yīng)氣體通過氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層，在催化劑層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，1個氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個氫離子和2個電子，氫離子以水合氫離子的形式，穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極[7]。與此同時，陰極的氧分子在催化劑的作用下與到達(dá)陰極的質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)生成水。

各電極反應(yīng)以及電池總反應(yīng)為

1）陽極反應(yīng)為

2）陰極反應(yīng)為

3）電池總反應(yīng)為

由總反應(yīng)式（3）可以看出，反應(yīng)氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后，唯一的產(chǎn)物就是水。

1.2 幾何模型

本文在仿真軟件COMSOL Multiphysics中搭建了直流道質(zhì)子交換膜燃料電池單體模型[8]，包括陰、陽極流道以及質(zhì)子交換膜等七部分，幾何模型如圖1所示，下方是陰、陽極氣體入口，上方是陰、陽極氣體出口，從下到上為氣體流動的方向。模型的具體尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 直流道單體PEMFC模型

表1 電池單體模型尺寸 單位：m

1.3 模型驗證

為驗證模型的正確性，仿真得到電池工作溫度在323.15 K，電池工作電壓為0.4 V時的極化曲線及對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并與文獻(xiàn)[9]已得到的相同條件下的結(jié)果進(jìn)行對比，當(dāng)誤差在10.00%以內(nèi)時，認(rèn)為是可接受的。數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表2所示，極化曲線對比如圖2所示，經(jīng)計算，除第一個點外相對誤差最小為0.18%，相對誤差最大為4.00%，均在10.00%以內(nèi)，因此，認(rèn)為模型是可靠的。

圖2 極化曲線對比

表2 數(shù)據(jù)對比

2 仿真結(jié)果分析

電池溫度會對電池中的催化劑活性產(chǎn)生影響，質(zhì)子交換膜燃料電池適宜的工作溫度為40～ 80 ℃，因此，溫度為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃時進(jìn)行仿真計算，探究電池工作溫度是如何影響質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)水濃度分布。首先將電池放電電壓設(shè)為0.4 V，將工作溫度分別設(shè)為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃進(jìn)行求解。

由于質(zhì)子交換膜燃料電池中的水分布很大程度上受到電流密度的影響，由質(zhì)子交換膜燃料電池的極化曲線可知，電池的放電電壓與電流密度存在關(guān)系為電池電壓較高時，電流密度較?。浑姵仉妷狠^低時，電流密度較大。因此，放電電壓也會對質(zhì)子交換膜燃料電池中的水濃度分布產(chǎn)生影響，本文將探究放電電壓為0.4 V、0.6 V、0.8 V時電池內(nèi)的水分布規(guī)律。將電池工作溫度設(shè)為80 ℃，將放電電壓分別設(shè)為0.4 V、0.6 V、0.8 V進(jìn)行求解。

經(jīng)仿真計算后可得到質(zhì)子交換膜陰、陽極表面的水濃度曲線，因陰、陽極水濃度分布趨勢相同，故僅展示陰極的結(jié)果。

2.1 工作溫度對水分布的影響

根據(jù)電池放電電壓為0.4 V時，工作溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃時運(yùn)行得到的結(jié)果，繪制出沿電池長度方向的、質(zhì)子交換膜陰極側(cè)的水濃度分布，如圖3所示。

圖3 質(zhì)子交換膜陰極表面水濃度隨溫度的變化

當(dāng)電池的放電電壓一定時，質(zhì)子交換膜陰極表面的水濃度隨溫度的升高而下降的趨勢十分明顯，在40 ℃時出氣口的水濃度高達(dá)9.9812 mol/m3，進(jìn)氣口的水濃度是4.7118 mol/m3，差值高達(dá) 5.2694 mol/m3。隨溫度升高質(zhì)子交換膜陰極表面含水量在逐漸下降，到80 ℃時達(dá)到最低，入口處水濃度是4.1159 mol/m3，比40 ℃時入口水濃度下降了0.5959 mol/m3；出口處水濃度是8.8263 mol/m3，比40 ℃時出口水濃度下降了1.1549 mol/m3。溫度的升高有利于水從陰極排出，因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)在電池適宜的工作溫度范圍內(nèi)，盡可能地提高電池溫度，有利于防止電池水淹現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 放電電壓對水分布的影響

根據(jù)電池工作溫度為80 ℃時，工作電壓分別為0.4 V、0.6 V、0.8 V時運(yùn)行得到的結(jié)果，繪制出沿電池長度方向的、質(zhì)子交換膜陰極側(cè)的水濃度分布圖，如圖4所示。

圖4 質(zhì)子交換膜陰極表面水濃度隨電壓的變化

當(dāng)電池電壓為0.4 V時，質(zhì)子交換膜陰極表面的水含量最高，出口處的水濃度高達(dá)8.8152 mol/m3，而當(dāng)電池電壓為0.8 V時，出口處的水濃度只有1.4903 mol/m3，可以看出電壓對水濃度分布的影響非常大，隨著電池電壓的升高，質(zhì)子交換膜陰極表面的水含量不斷下降。因此，在實際應(yīng)用中，較低的電池工作電壓能夠使質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部保持一個較好的水平衡狀態(tài)。

3 總結(jié)

1）隨著工作溫度的升高，質(zhì)子交換膜表面的含水量下降。溫度的升高有利于多余的水分從陰極排出，因此，實際應(yīng)用中，在適合質(zhì)子交換膜 燃料電池工作的溫度范圍內(nèi)，應(yīng)盡量提高電池的溫度，這有利于保持電池內(nèi)部的水平衡，也有利于提高電池的工作性能；

2）當(dāng)放電電壓升高時，質(zhì)子交換膜陰極表面的水含量大幅下降，過大的電池放電電壓會造成電池內(nèi)部缺水干涸。因此，實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮電池性能問題，選擇一個較低的工作電壓。