文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

PEM 燃料电池阴极催化层表面的液态水和氧气分布
刘坤1,2,李湘华 1,3,肖金生 1,2
(1 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,2 汽车工程学院湖北 430070;)
(3 广西玉林柴油机厂,广西 537000)
摘要:质子交换膜燃料电池中水管理是提高电池性能的重要组成,通过计算机系统模拟可以为电池的优化提供科学的理论
指导。文章使用Gambit 软件构建了单流道燃料电池模型,利用FLUENT 软件 PEM 模块进行求解传递方程组和电化学动力学方
程,在各种不同情况下燃料电池运行电流密度和温度、阳极和阴极加湿温度等因素对阴极催化层表面的液态饱和度、阴极催
化层表面氧气浓度的影响,揭示了质子交换膜燃料电池中阴极催化层中的液态水以及氧气的分布。应用FLENT 软件对燃料电
池的设计与研究具有很重要的意义。
关键词:质子交换膜;燃料电池;水管理;模拟;FLUENT

对质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)进行有效的水管理可以使质子交
换膜处于良好的润湿状态,防止水淹电极,有助于提高燃料电池的性能[1]。[2]、Ugur[3]等人研究
了催化层表面氧气浓度的分布特点,但没有研究氧气浓度随电流密度的变化关系。文章采用了 FLUENT 软
件中 PEMFC 的数学模型,模型考虑了流体的流动、多孔介质中的气体扩散、水的相变、以及电化学反应。
着重分析了阴极催化层表面水、氧气分布,及相互之间的影响。
1 计算模型
计算对象采用 Gambit 软件建立几何单电池模型如图 1,包括流道、扩散
层和催化层,板尺寸为 50*4mm2,集流板, 扩散层厚度 , 催化层厚度
,质子交换膜 mm。设定平行膜方向为 x 方向,膜电极的方向为 y
方向,沿流动方向为 z 方向。
许多燃料电池运行参数和结构参数都影响水含量。根据软件中所描
述的数学模型,针对图 1 所示的单流道燃料电池,详细研究了燃料电池运行电
流密度和温度,阳极和阴极加湿温度等因素对阴极催化层表面水及氧气分布的
影响。为了研究各个参数的影响,采用改变其中一个参数其他所有参数固定,
方法计算结果进行比较,分析该参数的影响。计算方案如各图所示。计算时阴极和阳极的进口边界条件随
加湿条件的不同而不同。图 1 几何模型
2 阴极催化层表面的液态饱和度
液态饱和度是指液态水的体积与总体积之比值,它用来代表液态水含量的多少。液态饱和度越大,液
态水含量越多,反之,则液态水含量就越少。计算结果表明:电池阴极催化层中液态饱和度在穿过膜电极
的方向的梯度较小,沿流动方向液态饱和梯度最大,在 x 方向上由于流道和岸相互间隔虽然也有一定梯度,

刘坤(1973-),男,辽宁兴城人,武汉理工大学博士生,研究方向:燃料电池
∗湖北省自然科学基金项目(2003ABA088), 教育部博士点基金项目(20030497012)资助。
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但相比 z 方向的梯度较小,故在后面的讨论中都选取不同条件下面 x=0 和阴极催化