氣體擴散層結構及入口速度對HT-PEMFCs 的影響

張貝貝，李培超

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著經濟的快速發展，能源和污染問題成為人們面臨的重要問題之一。氫氣和燃料電池為這一問題提供了一種解決的途徑。它們被認為是一種很有前途的替代能源，因為它們直接將化學能轉換為電能，并具有高功率密度、低或零排放的優點。質子交換膜燃料電池由于結構簡單、制造成本相對較低、效率高、環境污染低、壽命長、運行溫度低，被廣泛應用[1-4]。氣體擴散層起為反應氣體提供通道、支撐催化層等的作用[5]。

氣體擴散層的材料一般選用碳纖維紙或碳纖維布，碳纖維直徑在5～20 nm[6]。文獻表明，不同氣體的擴散層厚度在0.017～0.04 cm 變化[5]。學者們對GDL 進行了研究。Ahmed[7]等人采用直流道三維非等溫模型進行研究，發現PEMFC 中的水和熱管理依賴GDL 的滲透特性。因此，科研人員針對提高GDL 滲透特性，提高電池內部物質進行了一系列研究。陳士忠[8]等人通過分析氣體擴散層的滲透率的影響對電池進行優化；羅鑫[9]等人通過對工作溫度為70 ℃時，4 種不同厚度的GDL進行模擬分析，得到陰極和陽極中各物質摩爾濃度及電力密度變化曲線圖，但是未考慮電池內部速度變化和質子膜上電流分布的影響。研究學者們不僅從材料方面對燃料電池進行分析，而且還分析工作溫度、工作壓力、不同濕度等操作條件對電池性能的影響。白世杰[10]等人在蛇形流道模型中對陽極壓降的影響進行數值分析；楊興林[11]通過使用COMSOL Multiphysics 軟件建立三維模型研究GDL 孔隙度對電池性能的影響。但是只是研究了孔隙度影響，忽略了孔隙度對滲透率的影響。一些研究學者對電池的工作條件進行研究[12-14]。Jiao[15]等人通過軟件Fluent 進行仿真模擬，研究了高溫質子交換膜的操作溫度、磷酸摻雜程度、入口相對濕度、化學計量比、工作壓力和空氣/氧氣對電池性能的影響；夏凌超[1]等人通過在COMSOL 中建立三維模型，研究了操作溫度、膜厚度和催化劑層厚度對電池性能的影響。結果表明，升高操作溫度、增大反應層厚度、減小膜厚度都可以提高電池的性能。

目前，很多研究更關注的是通過改變流道的形狀[16-17]、氣體擴散層變形[18-19]等因素對電池性能進行優化。氣體擴散層的研究更側重氣體擴散層微觀結構和滲透率的影響，主要通過對不同纖維排列方式和不同滲透率對電池的影響進行數值分析，且主要針對是單個變量的影響，并未考慮變量之間的關聯。綜上，本文建立一個三維非等溫數學模型，考慮參數之間的相互影響，研究氣體擴散層孔隙度、厚度以及入口速度對高溫質子交換膜燃料電池物質輸運的影響。

1 控制方程及邊界條件

1.1 模型假設

圖1 為高溫質子交換膜燃料電池三維模型，包括氣體擴散層、催化層、集流器及質子交換膜。根據模型做出以下假設：（1）電池工作在穩態；（2）反應氣體為理想氣體；（3）電池內部的水以氣態形式存在;（4）擴散層、催化層均為各項同性的多孔介質。

圖1 高溫質子交換膜燃料電池三維模型Fig.1 3D model of HT-PEMFCs

1.2 控制方程

基于上述模型，給出相關的控制方程和方程源項。控制方程源項如表1 所示，質量、動量、組分、能量、電荷守恒方程如式（1）—式（7）。

表1 守恒方程源項Tab.1 Source term of conversation equations

質量守恒方程

動量守恒方程

入口處邊界條件設置為流體流速，出口處邊界條件則設置為大氣壓。

組分守恒方程

能量守恒方程

入口處設置為恒定溫度，由于集流器與環境之間存在著溫度差，有著一定的熱交換。因此集流器邊界與周圍環境之間的熱通量設置為

電荷守恒

電池電壓的邊界條件一般設置在電極與集電器接觸面，陽極設為接地，陰極電極設置電池電壓。

2 模型驗證

通過使用COMSOL Multiphysics 中的二次電流、布林克曼方程、濃物質擴散和固體傳熱模塊模擬質子交換膜燃料電池在電場-流場-濃度場-溫度場多場耦合情況下，氣體擴散層孔隙度、氣體擴散層厚度以及入口速度對電池內部物質傳遞的影響。本文數值模擬結果與Ubong[20]等人的實驗數據進行對比，驗證了模型的正確性，如圖2 所示。

圖2 數值和實驗結果的比較Fig.2 Comparison of numerical and experimental results

3 結果分析

3.1 孔隙度影響

圖3（a）為氣體擴散層在不同孔隙度時得到的電流密度增加值。圖中a，b，c 分別是孔隙度為0.6，0.7，0.8 時的電流密度，b-a 表示孔隙度0.7與0.6 的電流密度差值，c-a 表示孔隙度0.8 與0.6時的電流密度差值，橫坐標為不同孔隙度，電流密度差值。由圖3（a）可知，相同電池電壓下，隨著孔隙度的增大，孔隙度增大，電流密度也隨之變大。圖3（b）為Kozeny-Carman 方程隨孔隙度變化曲線圖。由圖3（b）可知，隨著孔隙度增大，滲透率增大，而氣體擴散層孔隙度又對氣體滲流產生影響。

圖3 孔隙度對極化曲線和滲透率的影響Fig.3 Effect of porosity on polarization curves and permeability

圖4 為不同孔隙度下陽極氣體擴散層內側氫氣和氧氣摩爾濃度的分布圖。由圖可知，隨著孔隙度增大，最小氫氣摩爾濃度增大。ε=0.8 時GDL 內側氫氣摩爾濃度比ε=0.6 時大。因為隨著孔隙度增大，導致氫氣更容易滲入，穿過陽極GDL 的氫氣摩爾濃度和氧氣摩爾濃度都是隨著孔隙度的增大略微增大。因此，GDL 孔隙度的增大，有利于反應氣體由流道滲入反應層，增大反應物濃度，提高電池平均電流密度。

圖4 氫氣和氧氣摩爾濃度分布Fig.4 Molar concentration distribution of hydrogen and oxygen

另一方面，從圖3（a）電流密度曲線圖可知，ε=0.8 時的電流密度比ε=0.6 時的大，因此ε=0.8時的電池化學反應更強烈，陰極側化學反應生成物水比ε=0.6 時多。但是由圖5 可知，相同條件下，孔隙度較大電池內部的水質量分數反而更少。這是因為隨著GDL 孔隙度的增大，增加了電池內部的通透性，有利于生成的水排出，從而降低陰極側水的質量分數。

圖5 GDL 孔隙度對陰極側水質量分數的影響Fig.5 Effect of GDL porosity on water mass fraction at cathode side

3.2 GDL 厚度的影響

圖6 為氣體擴散層厚度為0.02 cm 和0.04 cm的電池極化曲線圖。由圖中可知，氣體擴散層越厚會導致電池密度減小，從而降低了電池的性能，這是由于氣體擴散層厚度增大，導致濃度極化電位增大。為了更好地了解GDL 厚度對燃料電池的影響。GDL 中的氣體沿流動方向的速度分布如圖7 所示。結果可知，GDL 中的速度隨GDL 厚度的增加而減小，原因是氣體擴散層越厚，意味著氣體從流道轉移到反應層的路徑越長，從而導致速度降低。

圖6 GDL 厚度對電池極化曲線的影響Fig.6 Effect of GDL thickness on cell polarization curve

圖7 GDL 厚度對流動方向速度的影響Fig.7 Effect of GDL thickness on flow direction velocity

圖8 為沿著滲流方向，電池溫度分布圖。從圖中可以看出，隨著GDL 厚度增大，電池內部溫度降低。這是由于厚度越小時氣體更容易進入反應層，有利于增大化學反應速率，同時從圖中可以看出，溫度最高點在陰極反應層。隨著厚度的減小，最高點的溫度也隨著減小。

圖8 厚度對溫度的影響Fig.8 Effect of thickness on temperature

3.3 入口速度的影響

圖9 為不同入口速度對電池極化曲線的影響。由圖可知，入口速度越大，電池密度增大，增大了電池的性能。這是由于入口速度增大，加快了電池內部物質的傳遞。

圖9 速度對電池極化曲線和功率密度的影響Fig.9 Effect of speed on cell polarization curves and power density

當其它操作條件不變時，將電池入口物質流速提高2 倍，電池性能變化很大，這說明提高電池內部物質流動速率可以有效提高電池性能。當提高氫氣和空氣入口流動速度后，相同電壓下，可以得到更大的電流密度。

圖10 為反應層中電流密度分布圖。由于流道中脊的存在，造成中間區域與兩側出現不同的電流密度差。從反應層局部電流密度分布可知，從陽極入口側到出口側，電池局部電流密度逐漸增大。這是由于氣體在催化層中入口側濃度較大，電流密度又受到濃度的影響，因此高電流密度區域集中在入口側。同時，從圖11 反應層氫氣質量分數可知，當提高入口速度后，沿著氣體滲透方向速度增大，使得氫氣更高地穿過氣體擴散層和反應層，導致反應層中的氫氣質量分數增大。

圖10 速度對陽極反應層電流密度的影響Fig.10 Effect of velocity on current density of anode reaction layer

圖11 入口速度對反應層中氫氣質量分數的影響Fig.11 Effect of inlet velocity on hydrogen mass fraction in reaction layer

圖12 為陰極流道水質量分數分布。通過模擬結果發現，隨著入口速度增大，陰極水質量分數降低。同時從圖9 中可知，入口速度增大可使電池化學反應加快，陰極催化層生成更多的水。流道中水質量分數降低是由于電池內部氣體流動加快，造成生成的水很快被排出電池，使得陰極流道中水質量分數降低。電池內部水過多會降低化學反應，從而影響物質傳遞，因此可以通過增大電池入口速度的方法，使電池反應層生成的水更易排出。

圖12 入口速度對陰極流道中水質量分數的影響Fig.12 Effect of inlet velocity on water mass fraction in cathode channel

3 結語

本文通過對擴散層的孔隙度、厚度以及氣體的入口速度進行數值模擬及分析，得到如下結論：（1）氣體孔隙度的增大，使得氣體擴散層滲透率也隨之增大，提高電池內部物質的傳遞，使得生成的水可以很好地排出，提高電池的性能。

（2）通過對比不同厚度下的GDL 材料可知，當GDL 厚度越小，減小了氣體擴散的路徑，增大了擴散的速度，提高了電池的性能。

（3）入口流速增大不僅有利于增大氣體滲透速度，加快內部物質傳遞，而且有利于陰極側化學反應生成物水的排出。