PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能

2005Fluent中国用户大会论文集237PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能李湘华1,2，覃有为2,3，肖金生2,31广西玉林柴油机厂，广西537000；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，3汽车工程学院，湖北430070摘要：为了研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜中电流密度分布及电池性能的影响因素，利用FLUENT软件的燃料电池模块进行了单流道电池的数值模拟，得到了在阴阳极加湿温度和电池运行温度等条件不同的情况下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论了阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度、气体扩散层孔隙率等参数对燃料电池性能的影响。结果表明随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高;随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。。模拟结果与实验结果基本吻合，这说明计算数学模型是合理的，FLUENT计算结果是可信的。关键词：质子交换膜；燃料电池；模拟质子交换膜燃料电池输出电压随电流密度的增加而减小，这主要是由于存在各种极化的影响。质子交换膜的电阻和膜的润湿状况有很大关系，膜的润湿条件好，膜电阻则低，反之则膜电阻变得非常大，欧姆极化也就很大，燃料电池性能下降[1]。而燃料电池膜中电流密度对质子交换膜中水含量有着非常重要的影响，在低电流密度时，由于电化学反应生成水量以及电拖引起的水迁移量都较少，所以膜中水含量相对比较均匀；而在高电流密度运行时，即使进行阳极加湿，膜的阳极侧也有失水干凅的危险[2]。因此，质子交换膜燃料电池中影响电池性能和膜中电流密度分布的各种因素是我们必须要给予特别注意的问题。本文首先讨论了表1各个系列条件下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度等因素对燃料电池性能的影响。1计算模型本文采用FLUENT软件的燃料电池模块进行了模拟计算。由于许多燃料电池运行参数和结构参数都对电池性能有影响，本文针对单流道燃料电池，详细研究了燃料电池运行温度，阳极和阴极加湿温度、扩散层孔隙率等因素对质子交换膜中电流密度和电池性能的影响。为了分别研究各个参数的影响，采用的方法是将其他所有参数固定，而只改变其中一个参数，从而将计算结果进行比较，分析该参数的影响。2质子交换膜中电流密度的分布在质子交换膜中，在穿过膜的方向上电流密度的变化较小，所以选取质子交换膜正中间平面（y＝0）上的电流密度分布进行讨论。为了使膜中电流密度的分布更直观，选取该平面上靠近近口（z＝－0.005）、流道中间（z＝－0.025）、靠近出口（z＝－0.045）三个位置处的三条线上电流密度随坐标x的变化关系曲线进行讨论。2.1燃料电池运行温度对膜中电流密度分布的影响图1(a)是在平均电流密度都为0.6A/cm2、不同燃料电池运行温度下膜中间位置上（即z＝－0.025位置）电流密度分布比较图。在平均电流密度相同的情况下，膜中电流密度最小值随燃料电池运行温度的提高而降低，膜中电流密度分布更加均匀。这是因为在燃料电池运行温度提高时，气体扩散层和催化层中液态饱和度下降，气体扩散阻力减小，所以到达岸下方催化层表面的气体增多，所以最小电流密度增加。2.2阴极加湿温度对膜中电流密度分布的影响图1(b)是在系列2不同燃料电池阴极加湿温度下膜中间位置上电流密度分布比较图。从图中可以看出：在阳极保持70℃加湿不变的条件下，膜中电流密度的均匀度随阴极加湿温度的提高而降低。这是因为随着阴极加湿温度的提高，阴极加湿量增加，在相同平均电流密度下，阴极气体扩散层和催化层中水的液态饱2005Fluent中国用户大会论文集238和度增加，气体扩散阻力增加，通过扩散到达岸下方的气体量减小，所以最小电流密度下降，电流密度均匀度下降。2.3阳极加湿温度对膜中电流密度分布的影响图1(c)是在系列3不同燃料电池阳极加湿温度下膜中间位置上电流密度分布比较图。从图中可以看出：在阴极保持70℃加湿不变的条件下，膜中电流密度的均匀度随阳极加湿温度的提高而降低。这是因为随着阳极加湿温度的提高，阳极加湿量增加，在相同平均电流密度下，气体扩散层和催化层中水的液态饱和度增加，气体扩散阻力增加，通过扩散到达岸下方的气体量减小，所以最小电流密度下降，电流密度均匀度下降。2.4气体扩散层孔隙率对膜中电流密度分布的影响图1(d)是在不同扩散层孔隙率下膜中电流密度的分布。从图中可以看出：随着气体扩散层孔隙率的减小，膜中电流密度均匀度明显下降，这是因为在气体扩散层孔隙率减小时，气体在扩散层中扩散时所受的阻力迅速增加，这样反应气体到达岸下方的量就迅速减小，这些地方的电流密度也迅速减小。-0.0010-0.00050.00000.00050.0010450050005500600065007000750040℃50℃60℃currentdensity(A/m2)xdirection-0.0010-0.00050.00000.00050.001045005000550060006500700075000℃50℃70℃currentdensity(A/m2)xdirection(a)不同的电池运行温度(b)不同的阴极加湿温度-0.0010-0.00050.00000.00050.0010450050005500600065007000750070℃50℃0℃currentdensity(A/m2)xdirection-0.0010-0.00050.00000.00050.0010100015002000250030003500400045005000550060006500700075008000850090000.50.3currentdensity(A/m2)xdirection(c)不同阳极加湿温度(d)不同孔隙率图1不同参数对膜中电流密度分布的影响3质子交换膜燃料电池的性能3.1质子交换膜燃料电池阴极侧加湿温度对其性能的影响图2(a)是在燃料电池运行在60℃，阳极加湿温度固定为70℃，改变阴极加湿温度从不加湿到50℃加湿、70℃加湿条件下模拟计算出的性能曲线。从曲线可以看出：1）当燃料电池阳极进行70℃加湿时，再在阴极也进行70℃加湿燃料电池性能比阴极不加湿、阴极50℃加湿的性能曲线都差。这是因为在阳极进行了70℃加湿时，质子交换膜的润湿条件已经基本良好，当在阴极再进行70℃加湿时，阴极扩散层和催化层中的液态饱和就明显增加，这就导致阴极氧气扩散受阻，浓差极化增加，燃料电池的极限电流密度下降。2）与阴极不加湿的性能曲线相比，阴极50℃加湿（少量的加湿）条件下低电流密度区性能较好，而极限电流密度却较低。这是因为对阴极进行少量的加湿在低电流密度时有利于质子交换膜润湿状态的进一步改善，膜电阻进一步降低，燃料电池性能有所提高，而当电流密度较高时，阴极扩散中的液态饱和度较高，影响氧气的传输过程，导致极限电流密度下降。3.2质子交换膜燃料电池阳极加湿温度对其性能的影响图2(b)是在燃料电池运行在60℃，阴极加湿温度固定为70℃，改变阳极加湿温度从不加湿到50℃加2005Fluent中国用户大会论文集239湿、70℃加湿条件下模拟计算出的性能曲线。从曲线可以看出：随着阳极加湿温度的提高，燃料电池性能明显改善。这是因为在其他条件相同的情况下，随着阳极加湿温度的提高，阳极加湿量增加，燃料电池阳极反应气体中水含量增加，质子交换膜阳极侧的润湿条件改善，质子交换膜电阻减小，在欧姆极化区域斜率减小，所以燃料电池性能提高。0.00.20.40.60.81.01.21.40.30.40.50.60.70.80.90℃50℃70℃outputvoltage(V)currentdensity(A/cm2)0.00.20.40.60.81.01.21.40.30.40.50.60.70.80℃50℃70℃outputvoltage(V)currentdensity(A/cm2)(a)不同阴极加湿条件(b)不同阳极加湿条件0.00.20.40.60.81.01.21.40.30.40.50.60.70.840℃50℃60℃outputvoltage(V)currentdensity（A/cm2)0.00.20.40.60.81.01.21.40.30.40.50.60.70.80.30.5outputvoltage(V)currentdensity(A/cm2)(c)不同运行温度(d)不同扩散层孔隙率图2不同运行参数下模拟的性能曲线3.3质子交换膜燃料电池运行温度对其性能的影响图2(c)是在阳极加湿温度固定为70℃、阴极不加湿、改变燃料电池运行温度从40℃到50℃、60℃条件下模拟计算出的性能曲线。从曲线可以看出：在低电流密度下，燃料电池运行温度越高，性能越差，这是因为在只有阳极加湿的条件下，电流较小时，燃料电池电化学反应生成的水量较小，若燃料电池温度越高，则更多的水被蒸发成水蒸汽被带走，质子交换膜阴极侧的润湿条件变差，这样燃料电池的性能就下降。在高电流密度时，随着燃料电池运行温度的提高，其性能提高，这是因为在高电流密度下，燃料电池阴极侧电化学反应生成的水较多，质子交换膜的润湿条件已经很好，随着运行温度的提高，越多的液态水被蒸发成水蒸汽，阴极扩散层和催化层中的液态饱和度下降，反应气体传输阻力较小，燃料电池浓差极化较小，同时极限电流密度提高。3.4气体扩散层孔隙率对燃料电池性能的影响图2(d)是在其他条件相同的情况下，改变气体扩散层孔隙率从0.5到0.3的条件下性能曲线的比较。从图中可以看出：在其他条件相同的情况下，减小气体扩散层孔隙率，燃料电池性能明显下降。这是因为当气体扩散层孔隙率减小时，气体在扩散层中的扩散阻力增大，到达催化层表面的氧气量减小，燃料电池的浓差极化增加，极限电流密度下降。4燃料电池模拟计算和实验结果的比较质子交换膜燃料电池的计算机模拟是建立一定的假设、物理和化学理论基础上，与实际的工作状态、性能变化不一定完全相一致。为了验证计算数学模型的合理性，将在运行温度60℃、扩散层孔隙率为0.5时不同加湿条件下单流道燃料电池模拟计算的性能曲线和实验得到的性能曲线（实验数据来源于武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室燃料电池课题组丁刚强的测试结果，具体的测试方法和设备参考文献[3]。）进行比较，比较结果如图3所示。从图中可以看出实验值和模拟值吻合比较好，这就说明计算采用的2005Fluent中国用户大会论文集240数学模型是合理的。0.00.20.40.60.81.01.21.40.20.30.40.50.60.70.80.9modelingresultexperimentalresultoutputvoltage(V)currentdensity(A/cm2)0.00.20.40.60.81.01.20.30.40.50.60.70.80.9modelingresultexperimentalresultoutputvoltage(V)currentdensity(A/cm2)（a）0℃/阳极70℃加湿(b)阴极70℃/阳极50℃加湿图3模拟性能曲线与实验性能曲线的比较5结论a）随着燃料电池阴极加湿温度和阳极加湿温度的提高，阴极扩散层水的液态饱和度升高，反应气体传输阻力增加，膜中电流密度分布均匀度提高。b）燃料电池的性能随阳极加湿温度和燃料电池运行温度的提高而升高，随气体扩散层孔隙率的减小而下降。c）在低电流密度区对阴极进行一定加湿有利于提高燃料电池性能，但是在高电流密度区燃料电池性能随阴极加湿量的增加而下降。d）模拟结果与实验结果基本吻合,这说明计算数学模型是合理的,FLUENT计算结果是可信的。参考文献[1]王江,施明恒.燃料电池中质子交换膜干枯的热物理机制[J].工程热物理学报.2003,1(1):103~105.[2]OkadaT,Rat