气体扩散层结构及入口速度对HT-PEMFCs 的影响

张贝贝，李培超

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

随着经济的快速发展，能源和污染问题成为人们面临的重要问题之一。氢气和燃料电池为这一问题提供了一种解决的途径。它们被认为是一种很有前途的替代能源，因为它们直接将化学能转换为电能，并具有高功率密度、低或零排放的优点。质子交换膜燃料电池由于结构简单、制造成本相对较低、效率高、环境污染低、寿命长、运行温度低，被广泛应用[1-4]。气体扩散层起为反应气体提供通道、支撑催化层等的作用[5]。

气体扩散层的材料一般选用碳纤维纸或碳纤维布，碳纤维直径在5～20 nm[6]。文献表明，不同气体的扩散层厚度在0.017～0.04 cm 变化[5]。学者们对GDL 进行了研究。Ahmed[7]等人采用直流道三维非等温模型进行研究，发现PEMFC 中的水和热管理依赖GDL 的渗透特性。因此，科研人员针对提高GDL 渗透特性，提高电池内部物质进行了一系列研究。陈士忠[8]等人通过分析气体扩散层的渗透率的影响对电池进行优化；罗鑫[9]等人通过对工作温度为70 ℃时，4 种不同厚度的GDL进行模拟分析，得到阴极和阳极中各物质摩尔浓度及电力密度变化曲线图，但是未考虑电池内部速度变化和质子膜上电流分布的影响。研究学者们不仅从材料方面对燃料电池进行分析，而且还分析工作温度、工作压力、不同湿度等操作条件对电池性能的影响。白世杰[10]等人在蛇形流道模型中对阳极压降的影响进行数值分析；杨兴林[11]通过使用COMSOL Multiphysics 软件建立三维模型研究GDL 孔隙度对电池性能的影响。但是只是研究了孔隙度影响，忽略了孔隙度对渗透率的影响。一些研究学者对电池的工作条件进行研究[12-14]。Jiao[15]等人通过软件Fluent 进行仿真模拟，研究了高温质子交换膜的操作温度、磷酸掺杂程度、入口相对湿度、化学计量比、工作压力和空气/氧气对电池性能的影响；夏凌超[1]等人通过在COMSOL 中建立三维模型，研究了操作温度、膜厚度和催化剂层厚度对电池性能的影响。结果表明，升高操作温度、增大反应层厚度、减小膜厚度都可以提高电池的性能。

目前，很多研究更关注的是通过改变流道的形状[16-17]、气体扩散层变形[18-19]等因素对电池性能进行优化。气体扩散层的研究更侧重气体扩散层微观结构和渗透率的影响，主要通过对不同纤维排列方式和不同渗透率对电池的影响进行数值分析，且主要针对是单个变量的影响，并未考虑变量之间的关联。综上，本文建立一个三维非等温数学模型，考虑参数之间的相互影响，研究气体扩散层孔隙度、厚度以及入口速度对高温质子交换膜燃料电池物质输运的影响。

1 控制方程及边界条件

1.1 模型假设

图1 为高温质子交换膜燃料电池三维模型，包括气体扩散层、催化层、集流器及质子交换膜。根据模型做出以下假设：（1）电池工作在稳态；（2）反应气体为理想气体；（3）电池内部的水以气态形式存在;（4）扩散层、催化层均为各项同性的多孔介质。

图1 高温质子交换膜燃料电池三维模型Fig.1 3D model of HT-PEMFCs

1.2 控制方程

基于上述模型，给出相关的控制方程和方程源项。控制方程源项如表1 所示，质量、动量、组分、能量、电荷守恒方程如式（1）—式（7）。

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

质量守恒方程

动量守恒方程

入口处边界条件设置为流体流速，出口处边界条件则设置为大气压。

组分守恒方程

能量守恒方程

入口处设置为恒定温度，由于集流器与环境之间存在着温度差，有着一定的热交换。因此集流器边界与周围环境之间的热通量设置为

电荷守恒

电池电压的边界条件一般设置在电极与集电器接触面，阳极设为接地，阴极电极设置电池电压。

2 模型验证

通过使用COMSOL Multiphysics 中的二次电流、布林克曼方程、浓物质扩散和固体传热模块模拟质子交换膜燃料电池在电场-流场-浓度场-温度场多场耦合情况下，气体扩散层孔隙度、气体扩散层厚度以及入口速度对电池内部物质传递的影响。本文数值模拟结果与Ubong[20]等人的实验数据进行对比，验证了模型的正确性，如图2 所示。

图2 数值和实验结果的比较Fig.2 Comparison of numerical and experimental results

3 结果分析

3.1 孔隙度影响

图3（a）为气体扩散层在不同孔隙度时得到的电流密度增加值。图中a，b，c 分别是孔隙度为0.6，0.7，0.8 时的电流密度，b-a 表示孔隙度0.7与0.6 的电流密度差值，c-a 表示孔隙度0.8 与0.6时的电流密度差值，横坐标为不同孔隙度，电流密度差值。由图3（a）可知，相同电池电压下，随着孔隙度的增大，孔隙度增大，电流密度也随之变大。图3（b）为Kozeny-Carman 方程随孔隙度变化曲线图。由图3（b）可知，随着孔隙度增大，渗透率增大，而气体扩散层孔隙度又对气体渗流产生影响。

图3 孔隙度对极化曲线和渗透率的影响Fig.3 Effect of porosity on polarization curves and permeability

图4 为不同孔隙度下阳极气体扩散层内侧氢气和氧气摩尔浓度的分布图。由图可知，随着孔隙度增大，最小氢气摩尔浓度增大。ε=0.8 时GDL 内侧氢气摩尔浓度比ε=0.6 时大。因为随着孔隙度增大，导致氢气更容易渗入，穿过阳极GDL 的氢气摩尔浓度和氧气摩尔浓度都是随着孔隙度的增大略微增大。因此，GDL 孔隙度的增大，有利于反应气体由流道渗入反应层，增大反应物浓度，提高电池平均电流密度。

图4 氢气和氧气摩尔浓度分布Fig.4 Molar concentration distribution of hydrogen and oxygen

另一方面，从图3（a）电流密度曲线图可知，ε=0.8 时的电流密度比ε=0.6 时的大，因此ε=0.8时的电池化学反应更强烈，阴极侧化学反应生成物水比ε=0.6 时多。但是由图5 可知，相同条件下，孔隙度较大电池内部的水质量分数反而更少。这是因为随着GDL 孔隙度的增大，增加了电池内部的通透性，有利于生成的水排出，从而降低阴极侧水的质量分数。

图5 GDL 孔隙度对阴极侧水质量分数的影响Fig.5 Effect of GDL porosity on water mass fraction at cathode side

3.2 GDL 厚度的影响

图6 为气体扩散层厚度为0.02 cm 和0.04 cm的电池极化曲线图。由图中可知，气体扩散层越厚会导致电池密度减小，从而降低了电池的性能，这是由于气体扩散层厚度增大，导致浓度极化电位增大。为了更好地了解GDL 厚度对燃料电池的影响。GDL 中的气体沿流动方向的速度分布如图7 所示。结果可知，GDL 中的速度随GDL 厚度的增加而减小，原因是气体扩散层越厚，意味着气体从流道转移到反应层的路径越长，从而导致速度降低。

图6 GDL 厚度对电池极化曲线的影响Fig.6 Effect of GDL thickness on cell polarization curve

图7 GDL 厚度对流动方向速度的影响Fig.7 Effect of GDL thickness on flow direction velocity

图8 为沿着渗流方向，电池温度分布图。从图中可以看出，随着GDL 厚度增大，电池内部温度降低。这是由于厚度越小时气体更容易进入反应层，有利于增大化学反应速率，同时从图中可以看出，温度最高点在阴极反应层。随着厚度的减小，最高点的温度也随着减小。

图8 厚度对温度的影响Fig.8 Effect of thickness on temperature

3.3 入口速度的影响

图9 为不同入口速度对电池极化曲线的影响。由图可知，入口速度越大，电池密度增大，增大了电池的性能。这是由于入口速度增大，加快了电池内部物质的传递。

图9 速度对电池极化曲线和功率密度的影响Fig.9 Effect of speed on cell polarization curves and power density

当其它操作条件不变时，将电池入口物质流速提高2 倍，电池性能变化很大，这说明提高电池内部物质流动速率可以有效提高电池性能。当提高氢气和空气入口流动速度后，相同电压下，可以得到更大的电流密度。

图10 为反应层中电流密度分布图。由于流道中脊的存在，造成中间区域与两侧出现不同的电流密度差。从反应层局部电流密度分布可知，从阳极入口侧到出口侧，电池局部电流密度逐渐增大。这是由于气体在催化层中入口侧浓度较大，电流密度又受到浓度的影响，因此高电流密度区域集中在入口侧。同时，从图11 反应层氢气质量分数可知，当提高入口速度后，沿着气体渗透方向速度增大，使得氢气更高地穿过气体扩散层和反应层，导致反应层中的氢气质量分数增大。

图10 速度对阳极反应层电流密度的影响Fig.10 Effect of velocity on current density of anode reaction layer

图11 入口速度对反应层中氢气质量分数的影响Fig.11 Effect of inlet velocity on hydrogen mass fraction in reaction layer

图12 为阴极流道水质量分数分布。通过模拟结果发现，随着入口速度增大，阴极水质量分数降低。同时从图9 中可知，入口速度增大可使电池化学反应加快，阴极催化层生成更多的水。流道中水质量分数降低是由于电池内部气体流动加快，造成生成的水很快被排出电池，使得阴极流道中水质量分数降低。电池内部水过多会降低化学反应，从而影响物质传递，因此可以通过增大电池入口速度的方法，使电池反应层生成的水更易排出。

图12 入口速度对阴极流道中水质量分数的影响Fig.12 Effect of inlet velocity on water mass fraction in cathode channel

3 结语

本文通过对扩散层的孔隙度、厚度以及气体的入口速度进行数值模拟及分析，得到如下结论：（1）气体孔隙度的增大，使得气体扩散层渗透率也随之增大，提高电池内部物质的传递，使得生成的水可以很好地排出，提高电池的性能。

（2）通过对比不同厚度下的GDL 材料可知，当GDL 厚度越小，减小了气体扩散的路径，增大了扩散的速度，提高了电池的性能。

（3）入口流速增大不仅有利于增大气体渗透速度，加快内部物质传递，而且有利于阴极侧化学反应生成物水的排出。