阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响

张 宁，张小娟

(成都理工大学工程技术学院核工程与新能源技术系，四川乐山614000)

阴极扩散层孔隙率不同分布对PEMFC性能的影响

张 宁，张小娟

(成都理工大学工程技术学院核工程与新能源技术系，四川乐山614000)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极扩散层孔隙率分布对电池性能影响很大。建立了一个单电池的三维模型，分别考虑了阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布等情况，并用有限控制体法对模型进行了求解。研究结果表明，在大电流密度下，阴极扩散层孔隙率的不同分布形态会不同程度地影响阴极氧气质量传输和液态水的排出，从而影响电池性能。

质子交换膜；燃料电池；扩散层；孔隙率；分布；模拟

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

质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层(GDL)起着支撑催化层、传递反应气体、排水、导热、导电等重要作用[1]，其孔隙形态及分布对电池的性能有着重要的影响。李英等建立质子交换膜燃料电池一维两相传递模型，研究了扩散层孔隙率、厚度、接触角、渗透率对阴极水淹的影响[2]。范留飞等采用实验和有限元模拟相结合的方法研究了封装力对气体扩散层孔隙率的影响[3]。Chu H S等从平均孔隙率的角度出发，提出了孔隙率梯度变化的扩散层，并建立一维模型，研究不同电流密度下不同孔隙率影响氧气传输导致极限电流密度的变化，即孔隙率对浓差极化的影响[4]。刘坤等研究了在平面内孔隙率间隔变化分布的气体扩散层对燃料电池性能的影响。认为孔隙率间隔分布扩散层具有良好的排水导气特性，提高了电池的性能[5]。詹志刚等分别建立了一维模型和三维模型，研究了扩散层孔隙率沿厚度方向梯度变化时燃料电池内部的传输现象、排水能力和电池性能。结果表明,梯度扩散层能够提高液态水和气体的通过能力，从而提高电池的性能，且孔隙率梯度越大排水性能越好[6－7]。我们曾建立了单电池的三维模型，从统计的观点研究孔隙率随机分布对电池性能和MEA温度的影响[8]。本文将在此基础上，进一步研究和对比阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布等不同分布对电池性能和内部传质现象的不同影响。

1 计算模型

1.1 控制方程

质子交换膜燃料电池的反应气体经过流道、扩散层到达催化层，在催化层中发生电化学反应，生成水并产生电能。计算模拟所遵守的各方程表达式[8]。

1.2 几何模型、变量参数及计算假设

本计算所采用的计算模型为单直流道的燃料电池模型，几何模型结构如图1所示。因主要研究阴极扩散层孔隙率分布对电池性能的影响，考虑到求解的精度，对模型进行了适当的网格划分，特别是对阴极扩散层的网格划分进行了细化，沿厚度方向划分了20个节点，求解的总规模为29400个个体网格。其详细模型尺寸和网格划分如表1所示。计算中采用的主要变量参数同文献[8]中的主要变量及参数。在计算中，针对模型采取了以下假设：燃料电池在在353 K条件下稳态运行；反应气为不可压缩理想气体；孔隙率的不同分布不影响接触电阻；不考虑孔径大小及其分布等因素；液态水为细小的雾状，当成气体来处理。

图1 电池几何模型示意图

表1 模型尺寸及网格划分

1.3 计算方案

在保证阴极扩散层平均孔隙率均为0.5的情况下，利用流体动力学仿真软件Fluent中的PEM模块及其用户自定义功能UDF实现了扩散层孔隙率的单一统计分布、线性梯度分布；利用C语言的随机函数，实现了扩散层孔隙率的均匀统计分布和正态统计分布[9]。并分别模拟了阴极扩散层孔隙率单一分布、线性梯度分布、随机分布，即均匀统计分布和正态统计分布4种不同情况下的单电池性能。

阴极扩散层孔隙率的单一分布、线性梯度分布如式(7)和式(8)所示、孔隙率随位置的变化如图2所示，其中，孔隙率沿厚度方向线性梯度变化，本文采取孔隙率沿传质方向从催化层与扩散层交界面处的0.3线性梯度变化到扩散层与流道交界面处的0.7为例进行计算。

图2 孔隙率单一分布和线性梯度分布

单一分布：

线性梯度分布：

因真实的阴极扩散层受材料和工艺的限制，孔隙分布具有随机性，该随机分布从统计的观点，更趋近于均匀统计分布或正态统计分布。故本文利用C语言的随机函数产生大量数值为0～1之间的服从均匀统计分布和正态统计分布的伪随机数作为阴极扩散层每个网格的孔隙率，其生成的随机数按0.01的间距统计，统计所满足的密度函数如式(9)和式(10)所示、统计结果如图3所示。

图3 孔隙率两种随机分布

均匀统计分布：

正态统计分布：

2 结果及分析

图4为阴极扩散层孔隙率分别满足均匀统计分布、正态统计分布、单一统计分布和梯度分布四种不同分布时燃料电池的伏安特性曲线。由图4可知，阴极扩散层孔隙率线性梯度分布时电池性能最好、阴极扩散层孔隙率单一统计分布时电池性能次之、阴极扩散层孔隙率正态统计分布时电池性能较差、阴极扩散层孔隙率均匀统计分布时电池性能最差，这可由图5～图7进行解释。

图4 扩散层孔隙率不同分布时电池伏安特性曲线

图5为电流密度为1 A/cm2时沿流道方向扩散层和催化层交界面中线的氧气摩尔浓度分布。由图5可知，在扩散层和催化层交界面沿流道方向，四种电池氧气均因参与化学反应消耗而使其浓度不断减小。但阴极扩散层孔隙率线性梯度分布和单一统计分布的电池，氧气摩尔浓度分布比较均匀，且平均值相对较大，其中阴极扩散层孔隙率线性梯度分布的电池氧气摩尔浓度平均值最大。这是因为阴极扩散层孔隙率线性梯度分布和单一统计分布时，孔隙率分布比较规则，有利于氧气从流道到催化层的单方向传质。同时也说明孔隙率线性梯度分布阴极扩散层气体传质优于孔隙率单一统计分布阴极扩散层。阴极扩散层孔隙率均匀统计分布和正态统计分布的电池，氧气摩尔浓度分布大小不均，且整体平均值较低，其中，孔隙率均匀统计分布的电池氧气摩尔浓度最低。这是因为阴极扩散层孔隙率均匀统计分布和正态统计分布时，因孔隙率的无规则分布，大孔隙率处，孔隙体积较大，氧气浓度较高。小孔隙率处，孔的体积较小，氧气浓度较低。氧气浓度分布局部的大小不均，不利于气体的单方向传质。同时也说明孔隙率均匀统计分布的扩散层气体传质差于扩散层正态统计分布扩散层气体的传质。

图5 扩散层和催化层交界面中线氧气的摩尔浓度分布

图6为电流密度为1 A/cm2时沿流道方向扩散层和催化层交界面中线水的摩尔浓度分布。由图6可知，在阴极扩散层和催化层交界面中线沿流道方向，因反应生成物水从流道出口处的排出，沿流道方向水的摩尔浓度不断增加，水向扩散层的反扩散也不断增加，导致四种电池水的摩尔浓度分布均逐渐升高。但在扩散层和催化层交界面上，阴极扩散层孔隙率线性梯度分布和单一统计分布的电池，水的摩尔浓度分布比较均匀，且平均值相对较小，其中阴极扩散层孔隙率线性梯度分布的电池水的摩尔浓度平均值最小。这是因为阴极扩散层孔隙率线性梯度分布和单一统计分布的扩散层，在网格体积一定时，孔隙率的规则分布使各处孔的体积趋于相同，利于充分发挥各孔整体的排水能力。整体排水能力越强，剩余水的摩尔浓度就越小。这也说明阴极扩散层孔隙率线性梯度分布时排水能力优于孔隙率单一统计分布时的排水能力，与文献[7]结论一致。阴极扩散层孔隙率均匀统计分布和正态统计分布的电池，水的摩尔浓度分布局部大小不均，且整体平均值相对较高，其中孔隙率均匀统计分布的电池水的摩尔浓度平均值最高。这是因为孔隙率均匀统计分布和正态统计分布的阴极扩散层，孔隙率的无规则分布使各处孔的体积或大或小，不能充分发挥各孔整体的排水能力，因此剩余水的摩尔浓度就相对较大。这也说明孔隙率均匀统计分布扩散层的排水能力差于孔隙率正态统计分布扩散层的排水能力。

图6 扩散层和催化层交界面中线水的摩尔浓度分布

图7为不同电流密度下阴极侧膜表面上的过电势分布。由图7可知，随着电流密度的增加，阴极侧膜表面的过电势在增加。这主要是因为大电流密度下，电池的输出电压损失主要由浓差极化造成，电流密度越大，浓差极化越强。同时，在大电流密度下，阴极扩散层孔隙率线性梯度分布的电池，膜表面的过电势最低，阴极扩散层孔隙率单一统计分布的电池其次，阴极扩散层孔隙率正态统计分布的电池再次，阴极扩散层孔隙率均匀统计分布的电池最高。这主要是因为在大电流密度区域，不同孔隙率分布的扩散层对氧气的传输和水的排出性能不同，造成的浓差极化也不同，故而引起电池的性能不同。孔隙率线性梯度分布的阴极扩散层传质性能最好，大电流密度下浓差极化较小，因此阴极侧膜表面的过电势较小，电池性能最好。孔隙率均匀统计分布的阴极扩散层传质性能最差，大电流密度下浓差极化最大，因此阴极侧膜表面的过电势最大，电池性能最差。

图7 不同电流密度下阴极侧膜的表面过电势分布

因此，不同的孔隙率分布形态对氧气传质和水的排除性能不同，从而影响电池的浓差极化，影响电池的性能。孔隙率随机分布，即均匀统计分布和正态统计分布的阴极扩散层不利于氧气和水的传质，尤其是孔隙率均匀统计分布的扩散层，性能最差，在制作时应该避免；孔隙率线性梯度分布的阴极扩散层有利于氧气和水的传质，在制作时应该使其孔隙率尽量沿传质方向梯度分布。

3 结论

对阴极扩散层孔隙率满足单一统计分布、线性梯度分布、随机分布，即均匀统计分布和正态统计分布的PEM燃料电池进行了模拟，并进行了对比和分析，得到以下结论：(1)在大电流密度下阴极扩散层孔隙率不同分布对电池性能影响比较显著；(2)大电流密度下，当量平均孔隙率相同时，阴极扩散层孔隙率线性梯度分布的电池性能最好、阴极扩散层孔隙率单一统计分布的电池性能次之、阴极扩散层孔隙率正态统计分布的电池性能较差、阴极扩散层孔隙率均匀统计分布的电池性能最差；(3)不同孔隙率分布形态对氧气传质和水的排除能力不同，进而影响电池的性能。孔隙率随机分布，即均匀统计分布和正态统计分布的阴极扩散层性能较差，在扩散层制作时应该避免；孔隙率线性梯度分布的阴极扩散层有利于氧气的传质和水的排出，在扩散层制作时应该尽量使其孔隙率沿传质方向线性梯度分布。

[1]衣宝廉.燃料电池——原理·技术·应用[M].北京：化学工业出版社，2000．

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[3]范留飞，谈金祝，胡学家，等．封装力对PEM燃料电池气体扩散层孔隙率的影响[J]．电源技术，2014，38(11)：2003-2006．

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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

张宁(1980—），男，河南省人，硕士，讲师，主要研究方向为质子交换膜燃料电池的建模及仿真。