文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

PEM 燃料电池阴极加湿对浓差极化的影响

薛坤1 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)

摘要:运用 FLUENT 的 PEM 模块对质子交换膜燃料电池不同的加湿程度进行研究。分析了不同的加湿程度对燃料电池性
能的影响,尤其讨论了在高电流密度情况下,浓差极化对燃料电池性能的影响。对 80℃阴极气体分为 100%加湿和 50%加湿
进行对比,结果表明,低电流密度 100%加湿性能更好,在高电流密度时 50%加湿性能更好。另外分析了浓差极化区燃料电池
内部液态水、氧气浓度、电流密度以及电极电势分布,表明浓差极化仅在燃料电池的部分区域发生。采取有效的排水措施可
以使 100%饱和加湿获得更高的性能。
关键词:燃料电池电池性能阴极加湿浓差极化

1 引言
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种新型的能源处理方式,具有工作温度低、无污染、无腐蚀、
比功率大、启动迅速等优点, 已经成为能源领域研究的热点之一[1]。在燃料电池内部,H+的迁移必须有液
态水存在的情况下迁移,因此膜必须保持润湿,才能减小膜电阻。上海交通大学的马捷等[2]对质子交换膜
燃料电池膜内水迁移特性做了研究和同时对水管理和加湿方法做了探讨。Chen J, Matsuura T, Hori M [3]等研
究了一种在扩散层和催化层之间增加了水管理层(WML)的新型气体扩散层结构。并对优化的气体扩散
层进行模拟,预测了电极中水的分布图。Choi K H, Park D J, Rho Y W[4]等对质子交换膜燃料电池膜内水迁
移特性做了研究和同时对水管理和加湿方法做了探讨。有效的水管理可以通过膜电极和电池结构的优化设
计来实现,当不足以获得足够的含水率时,只能采用加湿技术。
质子交换膜燃料电池阴极增湿对于燃料电池性能的影响比较复杂。阴极反应生成水,如果不能及时排
出去,容易导致阴极水淹,影响氧气扩散,甚至导致反极。本文通过建立一个双流道模型,对阳极饱和加
湿,研究阴极不同的加湿程度对于燃料电池性能的影响,重点分析在大电流密度情况下,阴极加湿对于浓
差极化的影响。
2 模型
几何模型、网格划分、物性参数
计算对象为直型双流道单电池,包括流道、扩散层和催化层,计算几何模型及网格如图 1 所示。电池
板的长和宽都为 100mm;直形流道横截面为 1mm×1mm;两流道之间的岸宽为 1mm;扩散层是一层厚度
为的多孔介质,其孔隙率为 ;催化层厚度为。网格划分参数和主要物性参数见表 1 和表
2。

薛坤(1973-),男,江苏宿迁人,武汉理工大学硕士生,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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2005 Fluent 中国用户大会论文集

图 1 双流道燃料电池的截面图和网格划分示意图
表 1 双流道燃料电池结构尺寸及网格划分
宽(mm) /划分段数高(mm) /划分段数长(mm) /划分段数
质子交换膜 4/40 100/