孔隙率分布對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響

殷宇捷，孫峰，蘇丹丹，秦帥昌，聶旭亮，龐彬

(1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002；2.河北省新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)輕量化技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071002；3.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100080)

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）能夠?qū)⒒瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有轉(zhuǎn)換效率高、噪聲低、無污染等優(yōu)點(diǎn)[1].氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，GDL）是PEMFC的重要組成部分，位于雙極板和催化層(catalytic layer，CL)之間，多由碳材料構(gòu)成.GDL 的孔隙率分布對(duì)反應(yīng)氣體傳輸和PEMFC 輸出性能均具有顯著影響[2-3].國內(nèi)外學(xué)者為得到具有良好機(jī)械性能、優(yōu)異導(dǎo)電性和合適孔隙率的GDL，進(jìn)行了諸多有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料改性的研究.劉舜等[4]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GDL 孔隙率從0.2 增加到0.8 時(shí)，PEMFC的電流密度逐漸增大，最大可達(dá)847 mA/cm2.Abraham 等[5]基于田口方法對(duì)GDL 孔隙率進(jìn)行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明GDL 優(yōu)化后，PEMFC 的功率密度提高了12.5%.Xia 等[6]研究了GDL 孔隙率大小和厚度對(duì)反應(yīng)氣體傳輸?shù)挠绊?，結(jié)果顯示當(dāng)陽極和陰極GDL 的厚度分別為80～120 μm 和140～170 μm時(shí)，氧氣傳輸效果更佳；當(dāng)GDL 孔隙率為35%～45%時(shí)，電池性能更優(yōu).程植源等[7]將GDL 沿厚度方向進(jìn)行分層處理，認(rèn)為具有梯度結(jié)構(gòu)的GDL 可以有效防止“水淹”并能有效提升燃料電池的性能.Jha 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GDL 孔隙率從0.6 增加到0.7 時(shí)，PEMFC 的陰極氧氣消耗減少了7%.

上述方法雖然對(duì)GDL 的孔隙率大小及分布進(jìn)行了優(yōu)化，但孔隙率設(shè)計(jì)方案相對(duì)簡單，不能充分展現(xiàn)孔隙率分布對(duì)燃料電池傳質(zhì)及輸出性能的影響.本研究分別建立平行流場、蛇形流場和葉脈流場的三維PEMFC 模型，探究不同流場模型中常規(guī)擴(kuò)散層孔隙率分布方案對(duì)氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布的影響規(guī)律；基于不同流場模型催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)的分布特征，提出對(duì)應(yīng)3 種流場模型分布的GDL 孔隙率分布方案；分析不同PEMFC的膜電流密度分布、極化曲線與功率密度曲線.

1 模型與驗(yàn)證

1.1 幾何模型

碳布和碳紙是常見的2 種GDL 材料.碳布質(zhì)地柔軟、支撐性差；碳紙多由碳纖維壓制而成，具有良好的導(dǎo)電性和支撐力.合適的孔隙能為PEMFC內(nèi)反應(yīng)物的傳輸提供通路，如圖1 所示為不同孔隙率的GDL 材料SEM 圖像，其中εp為碳紙孔隙率，εc為碳布孔隙率.

圖1 不同孔隙率的擴(kuò)散層SEM 圖像Fig.1 SEM images of gas diffusion layer for different porosity

如圖2 所示，為了分析平行、蛇形、葉脈流場中孔隙率大小和分布對(duì)PEMFC 傳質(zhì)特性的影響，基于COMSOL Multiphysics 建立包含陰陽極流場、氣體擴(kuò)散層、催化層及質(zhì)子交換膜的三維PEMFC 模型，整體模型長、寬均為20 mm.PEMFC模型的幾何參數(shù)和操作條件如表1 所示.

表1 質(zhì)子交換膜燃料電池模型的幾何參數(shù)和操作條件Tab.1 Geometric parameters and operating conditions of proton exchange membrane fuel cell model

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池流場的幾何模型Fig.2 Geometric models of flow field for proton exchange membrane fuel cell

1.2 模型假設(shè)

對(duì)PEMFC 模型進(jìn)行如下假設(shè)：1）PEMFC 處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，2）反應(yīng)氣體均為理想氣體，3）反應(yīng)氣體流動(dòng)為層流，4）反應(yīng)氣體不可壓縮，5）忽略重力影響.

1.3 控制方程

在PEMFC 的電化學(xué)反應(yīng)過程中，質(zhì)量、動(dòng)量、能量、電荷、組分均守恒.

1）質(zhì)量守恒方程：

式中：ε 為多孔介質(zhì)孔隙率，ρ 為反應(yīng)氣體密度，t為時(shí)間，Sm為質(zhì)量源項(xiàng)，u為反應(yīng)氣體速度矢量.

2）動(dòng)量守恒方程：

式中：μ 為反應(yīng)氣體動(dòng)力黏性系數(shù)，p為壓力，Su為動(dòng)量源項(xiàng).

3）能量守恒方程：

式中：cp為比定壓熱容，T為溫度，keff為有效熱導(dǎo)率，SQ為能量源項(xiàng).

4）電荷守恒方程：

式中：σsol為固相電導(dǎo)率，σmem為電解質(zhì)相電導(dǎo)率，φsol為固相電勢，φmem為電解質(zhì)相電勢，Ssol為固相電勢源項(xiàng)，Smem為電解質(zhì)相電勢源項(xiàng).

5）組分守恒方程：

式中：ci為組分i的濃度；為氣體組分的有效擴(kuò)散系數(shù)；Si為組分源項(xiàng).組分源項(xiàng)在流道、擴(kuò)散層和微孔層中為0.

一般使用Butler-Volmer 方程描述催化層發(fā)生的反應(yīng)，表達(dá)式為

式中：ηa為陽極活化過電壓，ηc為陰極活化過電壓，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，R為摩爾氣體常數(shù)，iref,a為陽極體積參考交換電流密度，cH2為氫氣的濃度，為氫氣的參考濃度，cO2為氧氣的濃度，為氧氣的參考濃度，iref,c為陰極體積參考交換電流密度，ia為陽極交換電流密度，ic為陰極交換電流密度.

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性與模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，對(duì)平行流場PEMFC 模型采用4 種密集程度不同的網(wǎng)格劃分方案，在相同操作條件下對(duì)模型極化曲線進(jìn)行仿真，并基于模型 4 的電流密度計(jì)算相對(duì)誤差 δ，結(jié)果如圖3 所示，其中N為網(wǎng)格數(shù)量.仿真結(jié)果表明，當(dāng)工作電壓Uw=0.54 V 時(shí)，4 種網(wǎng)格劃分方案的電流密度誤差均滿足計(jì)算要求，且隨著網(wǎng)格數(shù)量增多，相對(duì)誤差呈先增大后減小的趨勢.在4 種模型中，模型3 相對(duì)誤差最小為3.51%，模型4 相對(duì)計(jì)算時(shí)間較長，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，采用模型 3對(duì)PEMFC 模型進(jìn)行數(shù)值模擬.

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池模型的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Mesh independence verification of proton exchange membrane fuel cell model

為了充分驗(yàn)證本研究建立模仿真方法的可行性，根據(jù)不同文獻(xiàn)中的PEMFC 幾何參數(shù)及操作條件，進(jìn)行3 組模型驗(yàn)證.第1 組PEMFC 模型是根據(jù)文獻(xiàn)[9]中測試用的PEMFC 幾何尺寸建立的直流道模型；第2 組PEMFC 模型是根據(jù)文獻(xiàn)[10]中測試用PEMFC 幾何尺寸建立的平行流場模型；第3 組PEMFC 模型建立與文獻(xiàn)[11]尺寸相同的PEMFC 流道幾何模型，并與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)條件保持一致對(duì)PEMFC 模型進(jìn)行極化曲線仿真.如圖4 所示，3 組仿真極化曲線分別與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)極化曲線相吻合，驗(yàn)證了本研究幾何模型建立與仿真計(jì)算方法的可行性.此外，本研究采用的幾何模型參數(shù)與操作參數(shù)與第3 組保持一致.

圖4 3 組仿真極化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of three curves of simulation polarization with experimental data

2 結(jié)果與分析

2.1 平行流場對(duì)比

2.1.1 孔隙率設(shè)計(jì)及氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布 為了分析擴(kuò)散層孔隙率大小對(duì)平行流場PEMFC 輸出性能的影響，分別建立孔隙率為0.40、0.50 和0.60 的3 種擴(kuò)散層模型.如圖5 所示為平行流場PEMFC 在Uw=0.54 V、采用3 種不同孔隙率(ε1=0.40、ε2=0.50、ε3=0.60)分布方案時(shí)，催化層中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)xO2分布.可以看出，對(duì)應(yīng)流道中部的催化層內(nèi)氧氣摩爾分?jǐn)?shù)較低，氧氣供應(yīng)明顯不足，而邊緣處氧氣摩爾分?jǐn)?shù)相對(duì)充足.3 種不同孔隙率方案均因參與化學(xué)反應(yīng)消耗使氧氣摩爾分?jǐn)?shù)不斷減小，但相較于方案1、2，方案3 的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布更加均勻，且平均值相對(duì)較大.

圖5 平行流場常規(guī)孔隙率分布方案以及3 種方案對(duì)應(yīng)的催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（Uw=0.54 V）Fig.5 Conventional porosity distribution scheme of parallel flow field,oxygen mole fraction distribution of catalytic layer corresponding to three schemes (Uw=0.54 V)

孔隙率對(duì)擴(kuò)散層中的氣體傳輸起著至關(guān)重要作用.孔隙率越大催化層界面上氧氣摩爾分?jǐn)?shù)越高，但當(dāng)孔隙率過高時(shí)，GDL 電導(dǎo)率將急劇下降，導(dǎo)致歐姆極化損失增大[12].為了研究GDL 孔隙率對(duì)PEMFC 傳質(zhì)特性及輸出性能的影響，基于圖5催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布特征提出3 種GDL孔隙率梯度分布方案，如圖6 所示.方案4～6 的孔隙率分布比方案1～3 的孔隙率分布更規(guī)則，氧氣摩爾分?jǐn)?shù)高則孔隙率相對(duì)較小，氧氣摩爾分?jǐn)?shù)低則孔隙率相對(duì)較大，有利于氧氣從流道到擴(kuò)散層的均勻傳質(zhì).如圖7 所示，方案1～6 中催化層氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.017 5、0.021 3、0.022 1、0.020 5、0.021 2 和0.021 6，其中方案3 的氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)最大.大孔隙率的GDL 雖然提高了氧氣向CL 的擴(kuò)散效率，但對(duì)比圖1(b)和圖1(c)可知，碳纖維體積減小會(huì)導(dǎo)致GDL 導(dǎo)電性下降，不利于PEMFC 電流密度的提高[13].

圖6 平行流場梯度孔隙率分布方案以及3 種方案對(duì)應(yīng)的催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（Uw=0.54 V）Fig.6 Gradient porosity distribution scheme of parallel flow,oxygen mole fraction distribution of catalytic layer corresponding to three schemes (Uw=0.54 V)

圖7 平行流場中不同孔隙率分布方案的氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)Fig.7 Average oxygen molar fraction of different porosity distribution schemes in parallel flow fields

2.1.2 膜電流密度分布 如圖8 所示為平行流場PEMFC 在Uw=0.54 V、采用6 種不同孔隙率分布方案時(shí)，質(zhì)子交換膜水平方向中間截面的膜電流密度J分布，平均膜電流密度Jeme分別為0.907 5、0.945 5、0.928 1、0.956 1、0.973 4 和0.984 4 A/cm2，如圖9 所示.由此可見，基于催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布特征提出的孔隙率梯度分布方案（方案5、6）能夠提高平均膜電流密度[13].

圖8 平行流場不同孔隙率分布方案的膜電流密度分布（Uw=0.54 V）Fig.8 Distribution of membrane current density for different porosity distribution schemes in parallel flow fields (Uw=0.54 V)

圖9 平行流場不同孔隙率分布方案的平均膜電流密度Fig.9 Average membrane current density of different porosity distribution schemes in parallel flow fields

2.1.3 極化曲線與功率密度曲線 如圖10 所示為采用6 種不同孔隙率分布方案時(shí)，平行流場PEMFC的極化曲線與功率密度曲線，峰值功率密度P分別為0.491 2、0.512 3、0.503 2、0.517 9、0.527 4和0.533 4 W/cm2，當(dāng)PEMFC 終止電壓U=0.39 V時(shí)電流密度分別為1.058、1.119、1.101、1.139、1.148 和1.161 A/cm2.方案6 的峰值功率密度較前5 種方案分別提高了8.59%、4.12%、6.00%、2.99%和1.14%，電流密度較前5 種方案分別提高了9.74%、3.75%、5.45%、1.93%和1.13%.

圖10 平行流場不同孔隙率分布方案極化曲線與功率密度曲線Fig.10 Polarization curves and power density curves of different porosity distribution schemes in parallel flow fields

增大GDL 孔隙率能夠促進(jìn)氧氣擴(kuò)散，提高催化層中氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)，但是當(dāng)孔隙率過高時(shí)，由于GDL 電導(dǎo)率急劇下降，歐姆極化損失的增加值大于濃差極化損失的減小值，反而使電池性能下降（方案1～3）.基于平行流場PEMFC 催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布特征提出的GDL 孔隙率梯度分布方案可以明顯提高膜電流密度[13]，改善電池輸出性能（方案4～6）.方案6 在平均孔隙率不變的前提下，通過增大催化層中氧氣供應(yīng)不足處的孔隙率改善了局部氧氣供應(yīng)，催化層中氧氣供應(yīng)相對(duì)充足的位置維持較低的孔隙率使擴(kuò)散層電導(dǎo)率相對(duì)較高，因此方案6 的峰值功率密度和電流密度均最優(yōu)[14].

2.2 蛇形流場對(duì)比

2.2.1 孔隙率設(shè)計(jì)及氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布 為了分析擴(kuò)散層孔隙率大小對(duì)蛇形流場PEMFC 輸出性能的影響，分別建立孔隙率為0.40、0.50 和0.60的3 種擴(kuò)散層模型.如圖11 所示為催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布特征，相應(yīng)的孔隙率（ε1=0.40、ε2=0.50、ε3=0.60、ε4=0.70、ε5=0.30、ε6=0.45）分布方案如圖12 所示.由圖11、12 可以看出，蛇形流場催化層入口處氧氣摩爾分?jǐn)?shù)較出口處更高，沿氣體流動(dòng)方向氧氣摩爾分?jǐn)?shù)梯度下降.方案7～14 中的氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.017 5、0.021 6、0.022 8、0.025 6、0.019 6、0.031 0、0.023 4 和0.024 0，方案6 催化層的平均氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布最佳.

圖11 蛇形流場常規(guī)孔隙率分布方案以及3 種方案對(duì)應(yīng)的催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（Uw=0.54 V）Fig.11 Conventional porosity distribution scheme of serpentine flow field,oxygen mole fraction distribution of catalytic layer corresponding to three schemes (Uw=0.54 V)

圖12 蛇形流場梯度孔隙率分布方案以及5 種方案對(duì)應(yīng)的催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（Uw=0.54 V）Fig.12 Gradient porosity distribution scheme of serpentine flow,oxygen mole fraction distribution of catalytic layer corresponding to five schemes (Uw=0.54 V)

2.2.2 膜電流密度分布 如圖13 所示為蛇形流場PEMFC 在Uw=0.54 V、采用8 種不同孔隙率分布方案時(shí)，質(zhì)子交換膜水平方向中間截面的膜電流密度分布.蛇形流場膜電流密度沿氣體流動(dòng)方向均勻下降，流道出口處由于氧氣供應(yīng)明顯不足導(dǎo)致電流密度過低.8 種分布方案的平均膜電流密度分別為0.982 8、1.029 9、1.008 7、1.116 7、1.041 3、1.160 1、1.098 7 和1.105 1 A/cm2，如圖14 所示，其中方案12 的平均膜電流密度相對(duì)較高.

圖13 蛇形流場不同孔隙率分布方案的膜電流密度分布（Uw=0.54 V）Fig.13 Distribution of membrane current density for different porosity distribution schemes in serpentine flow fields (Uw=0.54 V)

圖14 蛇形流場不同孔隙率分布方案的平均膜電流密度Fig.14 Average membrane current density of different porosity distribution schemes in serpentine flow fields

2.2.3 極化曲線與功率密度曲線 如圖15 所示為采用8 種孔隙率分布方案時(shí)蛇形流場PEMFC 的極化曲線與功率密度曲線，峰值功率密度分別為0.531 9、0.558 1、0.547 0、0.605 4、0.563 8、0.629 0、0.595 6 和0.599 1 W/cm2，終止電壓為0.39 V 時(shí)電流密度分別為1.122、1.192、1.185、1.270、1.238、1.270、1.270 和1.270 A/cm2.方案12 的峰值功率密度較其他7 種分別提高了18.26%、12.70%、14.90%、3.90%、11.56%、3.90%、5.61%和4.99%.對(duì)于蛇形流場PEMFC，增大GDL 孔隙率可以提高催化層中氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)，但是當(dāng)孔隙率過高時(shí)，由于GDL 電導(dǎo)率急劇下降，反而使膜電流密度降低（方案7～9）.沿水平方向增加GDL 孔隙率層數(shù)可在一定程度上提高催化層中氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)和膜電流密度，但隨著層數(shù)的增加效果變得不明顯（方案8、10、13 和14）.方案12 增大了蛇形流場出口附近的孔隙率，明顯改善了氧氣供應(yīng)，而入口處采用較優(yōu)孔隙率，因此方案12 中的峰值功率密度和電流密度均最優(yōu).

圖15 蛇形流場不同孔隙率分布方案極化曲線與功率密度曲線Fig.15 Polarization curves and power density curves of different porosity distribution schemes in serpentine flow fields

2.3 葉脈流場對(duì)比

2.3.1 孔隙率設(shè)計(jì)及氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布 為了分析擴(kuò)散層孔隙率大小對(duì)葉脈流場PEMFC 輸出性能的影響，分別建立孔隙率為0.40、0.50 和0.60 的3 種擴(kuò)散層模型.如圖16 所示為催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布特征，相應(yīng)的孔隙率梯度分布方案如圖17所示.由圖16 可以看出，與主流道對(duì)應(yīng)的催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)較高且沿著氣體流動(dòng)方向逐漸降低，整個(gè)催化層中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)沿主流道對(duì)稱分布，氧氣摩爾分?jǐn)?shù)最低位置出現(xiàn)在氣體出口附近的幾條支流道中.由圖16、17 可知，6 種分布方案的CL 氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布均因參與化學(xué)反應(yīng)消耗而使其摩爾分?jǐn)?shù)不斷減小，但方案20 相較于前5 種分布方案氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布更加均勻且平均值相對(duì)較大，原因是方案20 的孔隙率分布更加規(guī)則，有利于氧氣從流道到催化層的單方向均勻傳質(zhì)，也說明孔隙率梯度分布的陰極擴(kuò)散層氣體傳質(zhì)優(yōu)于單一分布的陰極擴(kuò)散層氣體傳質(zhì).如圖18 所示，6 種方案的催化層氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.023 5、0.029 1、0.028 2、0.028 3、0.028 0 和0.043 7，其中方案20 催化層中氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)最高.

圖16 葉脈流場常規(guī)孔隙率分布方案以及3 種方案對(duì)應(yīng)的催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（Uw=0.54 V）Fig.16 Conventional porosity distribution scheme of leaf vein flow field,oxygen mole fraction distribution of catalytic layer corresponding to three schemes (Uw=0.54 V)

圖17 葉脈流場梯度孔隙率分布方案以及3 種方案對(duì)應(yīng)的催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（Uw=0.54 V）Fig.17 Gradient porosity distribution scheme of leaf vein flow field,oxygen mole fraction distribution of catalytic layer corresponding to three schemes (Uw=0.54 V)

圖18 葉脈流場不同孔隙率分布方案的氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)Fig.18 Average oxygen mole fraction of different porosity distribution schemes in leaf vein flow fields

2.3.2 膜電流密度分布 如圖19 所示為葉脈流場PEMFC 在Uw=0.54 V、采用6 種孔隙率分布方案時(shí)，質(zhì)子交換膜水平方向中間截面的膜電流密度分布，其中方案20 的高膜電流密度區(qū)域面積最大.6 種分布方案的平均膜電流密度分別為1.059 0、1.104 4 和1.064 3、1.116 4、1.120 2 和1.215 1 A/cm2，如圖20 所示，方案20 的平均膜電流密度遠(yuǎn)高于其他5 種方案.

圖19 葉脈流場不同孔隙率分布方案的膜電流密度分布（Uw=0.54 V）Fig.19 Distribution of membrane current density for different porosity distribution schemes in leaf vein flow fields(Uw=0.54 V)

圖20 葉脈流場不同孔隙率分布方案的平均膜電流密度Fig.20 Average membrane current density of different porosity distribution schemes in leaf vein flow fields

2.3.3 極化曲線與功率密度曲線 如圖21 所示為采用6 種不同孔隙率分布方案時(shí)葉脈流場PEMFC的極化曲線與功率密度曲線，峰值功率密度分別為0.572 6、0.597 8、0.576 2、0.604 2、0.606 9 和0.661 1 W/cm2，當(dāng)終止電壓為0.39 V 時(shí)，電流密度分別為1.259、1.342、1.285、1.328、1.356 和1.367 A/cm2.由圖可知，當(dāng)孔隙率采用方案20 時(shí)，PEMFC輸出性能最佳，峰值功率密度較前5 種方案分別提高了15.46%、10.59%、14.73%、9.42%和8.93%，電流密度較前5 種方案分別提高了8.58%、1.86%、6.39%、2.94%、0.81%.對(duì)于葉脈流場PEMFC，增大GDL 孔隙率不能改善催化層中氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)以及平均膜電流密度（方案15～17）.基于葉脈流場PEMFC 催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布特征提出的GDL 孔隙率梯度分布方案可以明顯提高膜電流密度，改善電池輸出性能（方案18～20）.方案20 通過增大氣體出口附近對(duì)應(yīng)的GDL 孔隙率改善了局部氧氣供應(yīng)，而主流道相對(duì)應(yīng)的GDL 孔隙率較低使擴(kuò)散層電導(dǎo)率相對(duì)較高，因此方案20 的峰值功率密度和電流密度均最優(yōu).

圖21 葉脈流場不同孔隙率分布方案極化曲線與功率密度曲線Fig.21 Polarization curves and power density curves of different porosity distribution schemes in leaf vein flow fields

3 結(jié)語

為了研究擴(kuò)散層孔隙率對(duì)傳質(zhì)特性的影響，構(gòu)建平行、蛇形和葉脈3 種不同流場GDL 模型，通過調(diào)控孔隙率大小和分布，考察催化層氧氣摩爾分?jǐn)?shù)、膜電流密度以及極化曲線和功率密度曲線變化規(guī)律，得到如下結(jié)論.1）針對(duì)平行流場提出的最優(yōu)GDL 孔隙率分布方案，通過增大氧氣供應(yīng)不足處的孔隙率，改善了局部氧氣供應(yīng)不足現(xiàn)象，減小了GDL 中低氧氣摩爾分?jǐn)?shù)區(qū)域的面積，能夠有效改善電池輸出性能.2）沿水平方向增加蛇形流場GDL 的孔隙率層數(shù)可提高催化層中氧氣平均摩爾分?jǐn)?shù)和膜電流密度；最佳孔隙率分布方案提高了蛇形流場出口區(qū)域的氧氣供應(yīng)，能有效提高電池的電流密度.3）通過增大葉脈流場氣體出口附近對(duì)應(yīng)的GDL 孔隙率，改善了催化層中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)分布均勻性；與常規(guī)孔隙率分布相比，該方案的峰值功率密度和電流密度均最優(yōu).