PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能.pdf

2005 Fluent 中国用户大会论文集

PEM 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 2,3
1 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=-)、
流道中间(z=-)、靠近出口(z=-)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。
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 、不同燃料电池运行温度下膜中间位置上(即 z=- 位置)