陰極擴散層孔隙率不同分布對PEMFC性能的影響

張 寧，張小娟

(成都理工大學工程技術學院核工程與新能源技術系，四川樂山614000)

陰極擴散層孔隙率不同分布對PEMFC性能的影響

張 寧，張小娟

(成都理工大學工程技術學院核工程與新能源技術系，四川樂山614000)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極擴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，分別考慮了陰極擴散層孔隙率單一分布、線性梯度分布、隨機分布等情況，并用有限控制體法對模型進行了求解。研究結果表明，在大電流密度下，陰極擴散層孔隙率的不同分布形態會不同程度地影響陰極氧氣質量傳輸和液態水的排出，從而影響電池性能。

質子交換膜；燃料電池；擴散層；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

質子交換膜燃料電池(PEMFC)氣體擴散層(GDL)起著支撐催化層、傳遞反應氣體、排水、導熱、導電等重要作用[1]，其孔隙形態及分布對電池的性能有著重要的影響。李英等建立質子交換膜燃料電池一維兩相傳遞模型，研究了擴散層孔隙率、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合的方法研究了封裝力對氣體擴散層孔隙率的影響[3]。Chu H S等從平均孔隙率的角度出發，提出了孔隙率梯度變化的擴散層，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孔隙率間隔變化分布的氣體擴散層對燃料電池性能的影響。認為孔隙率間隔分布擴散層具有良好的排水導氣特性，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，研究了擴散層孔隙率沿厚度方向梯度變化時燃料電池內部的傳輸現象、排水能力和電池性能。結果表明,梯度擴散層能夠提高液態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，從統計的觀點研究孔隙率隨機分布對電池性能和MEA溫度的影響[8]。本文將在此基礎上，進一步研究和對比陰極擴散層孔隙率單一分布、線性梯度分布、隨機分布等不同分布對電池性能和內部傳質現象的不同影響。

1 計算模型

1.1 控制方程

質子交換膜燃料電池的反應氣體經過流道、擴散層到達催化層，在催化層中發生電化學反應，生成水并產生電能。計算模擬所遵守的各方程表達式[8]。

1.2 幾何模型、變量參數及計算假設

本計算所采用的計算模型為單直流道的燃料電池模型，幾何模型結構如圖1所示。因主要研究陰極擴散層孔隙率分布對電池性能的影響，考慮到求解的精度，對模型進行了適當的網格劃分，特別是對陰極擴散層的網格劃分進行了細化，沿厚度方向劃分了20個節點，求解的總規模為29400個個體網格。其詳細模型尺寸和網格劃分如表1所示。計算中采用的主要變量參數同文獻[8]中的主要變量及參數。在計算中，針對模型采取了以下假設：燃料電池在在353 K條件下穩態運行；反應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；液態水為細小的霧狀，當成氣體來處理。

圖1 電池幾何模型示意圖

表1 模型尺寸及網格劃分

1.3 計算方案

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

陰極擴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方向從催化層與擴散層交界面處的0.3線性梯度變化到擴散層與流道交界面處的0.7為例進行計算。

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：

因真實的陰極擴散層受材料和工藝的限制，孔隙分布具有隨機性，該隨機分布從統計的觀點，更趨近于均勻統計分布或正態統計分布。故本文利用C語言的隨機函數產生大量數值為0～1之間的服從均勻統計分布和正態統計分布的偽隨機數作為陰極擴散層每個網格的孔隙率，其生成的隨機數按0.01的間距統計，統計所滿足的密度函數如式(9)和式(10)所示、統計結果如圖3所示。

圖3 孔隙率兩種隨機分布

均勻統計分布：

正態統計分布：

2 結果及分析

圖4為陰極擴散層孔隙率分別滿足均勻統計分布、正態統計分布、單一統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，陰極擴散層孔隙率線性梯度分布時電池性能最好、陰極擴散層孔隙率單一統計分布時電池性能次之、陰極擴散層孔隙率正態統計分布時電池性能較差、陰極擴散層孔隙率均勻統計分布時電池性能最差，這可由圖5～圖7進行解釋。

圖4 擴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反應消耗而使其濃度不斷減小。但陰極擴散層孔隙率線性梯度分布和單一統計分布的電池，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。這是因為陰極擴散層孔隙率線性梯度分布和單一統計分布時，孔隙率分布比較規則，有利于氧氣從流道到催化層的單方向傳質。同時也說明孔隙率線性梯度分布陰極擴散層氣體傳質優于孔隙率單一統計分布陰極擴散層。陰極擴散層孔隙率均勻統計分布和正態統計分布的電池，氧氣摩爾濃度分布大小不均，且整體平均值較低，其中，孔隙率均勻統計分布的電池氧氣摩爾濃度最低。這是因為陰極擴散層孔隙率均勻統計分布和正態統計分布時，因孔隙率的無規則分布，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。同時也說明孔隙率均勻統計分布的擴散層氣體傳質差于擴散層正態統計分布擴散層氣體的傳質。

圖5 擴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，在陰極擴散層和催化層交界面中線沿流道方向，因反應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，水向擴散層的反擴散也不斷增加，導致四種電池水的摩爾濃度分布均逐漸升高。但在擴散層和催化層交界面上，陰極擴散層孔隙率線性梯度分布和單一統計分布的電池，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。這是因為陰極擴散層孔隙率線性梯度分布和單一統計分布的擴散層，在網格體積一定時，孔隙率的規則分布使各處孔的體積趨于相同，利于充分發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。這也說明陰極擴散層孔隙率線性梯度分布時排水能力優于孔隙率單一統計分布時的排水能力，與文獻[7]結論一致。陰極擴散層孔隙率均勻統計分布和正態統計分布的電池，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計分布和正態統計分布的陰極擴散層，孔隙率的無規則分布使各處孔的體積或大或小，不能充分發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計分布擴散層的排水能力差于孔隙率正態統計分布擴散層的排水能力。

圖6 擴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，陰極擴散層孔隙率單一統計分布的電池其次，陰極擴散層孔隙率正態統計分布的電池再次，陰極擴散層孔隙率均勻統計分布的電池最高。這主要是因為在大電流密度區域，不同孔隙率分布的擴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。孔隙率線性梯度分布的陰極擴散層傳質性能最好，大電流密度下濃差極化較小，因此陰極側膜表面的過電勢較小，電池性能最好。孔隙率均勻統計分布的陰極擴散層傳質性能最差，大電流密度下濃差極化最大，因此陰極側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膜的表面過電勢分布

因此，不同的孔隙率分布形態對氧氣傳質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。孔隙率隨機分布，即均勻統計分布和正態統計分布的陰極擴散層不利于氧氣和水的傳質，尤其是孔隙率均勻統計分布的擴散層，性能最差，在制作時應該避免；孔隙率線性梯度分布的陰極擴散層有利于氧氣和水的傳質，在制作時應該使其孔隙率盡量沿傳質方向梯度分布。

3 結論

對陰極擴散層孔隙率滿足單一統計分布、線性梯度分布、隨機分布，即均勻統計分布和正態統計分布的PEM燃料電池進行了模擬，并進行了對比和分析，得到以下結論：(1)在大電流密度下陰極擴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，當量平均孔隙率相同時，陰極擴散層孔隙率線性梯度分布的電池性能最好、陰極擴散層孔隙率單一統計分布的電池性能次之、陰極擴散層孔隙率正態統計分布的電池性能較差、陰極擴散層孔隙率均勻統計分布的電池性能最差；(3)不同孔隙率分布形態對氧氣傳質和水的排除能力不同，進而影響電池的性能。孔隙率隨機分布，即均勻統計分布和正態統計分布的陰極擴散層性能較差，在擴散層制作時應該避免；孔隙率線性梯度分布的陰極擴散層有利于氧氣的傳質和水的排出，在擴散層制作時應該盡量使其孔隙率沿傳質方向線性梯度分布。

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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，主要研究方向為質子交換膜燃料電池的建模及仿真。