质子交换膜燃料电池流道及扩散层对氧的均匀化分布的影响

质子交换膜燃料电池流道及扩散层对氧的均匀化分布的影响

氢-空pemfc（pembc）从流道入口至出口，空气中氧气扩散到催化剂层的反应被消耗，环境中气的极端浓度在流动方向上逐渐降低。为了提高呼吸扩散源的均匀性，流道和催化剂之间的扩散和扩散亚层的存在加剧了氧化学作为扩散层的物质扩散源的不均匀性，从而严重降低了pembc的性能。目前，各种通用的api（commercialfluiddynamis）商业软件包在中国市场上很受欢迎。利用api软件对pemj物质传输过程进行模拟和优化，为解决pemj物质分布不均的问题提供了有效的工具。1计算模型1.1流道下流道结构采用面积为50mm×50mm、流道为交指型的单电池,进气口和出气口面积相等,都为矩形,宽2mm.流道下部为扩散层、扩散亚层和催化层,结构如图1所示.流道宽1mm,流道间隔宽1mm,扩散层厚0.2mm,扩散亚层厚0.05mm,催化层厚0.005mm.1.2阳离子交换膜特性PEMFC运行过程是一个多相、多尺度、多物理场的动态过程,影响各种物理量的因素复杂多变并且各种物理量本身相互耦合.为此,对耦合因素进行解耦,考虑主要因素,计算分析较为一般的情况,作以下简化:(1)PEMFC阴极半电池可以单独分开工作;(2)PEMFC为恒温80℃,绝热,稳态;(3)PEMFC内反应均匀进行的,生成的水为气态,没有相变,不存在二相流;(4)反应气体没有加湿且不可压;(5)层流;(6)空气为混合气(21%的氧,79%的氮,质量分数);常密度气体;(7)阴极半电池时仅假设阴极生成水与消耗氧气的质量比为1∶1.联系研究目标,将质子交换膜燃料电池内的实际工作过程作如上假设的合理简化之后,可用质量守恒方程、动量守恒方程、组份守恒方程建立模型.∇(ερu)=Sm∇(ερuu)=−ε∇p+∇(εμ∇u)+Spξ∇(εuck)=∇(∇effk∇ck)+Sk∇(ερu)=Sm∇(ερuu)=-ε∇p+∇(εμ∇u)+Spξ∇(εuck)=∇(∇keff∇ck)+Sk式中:Spξ,Sk,Sm为源项;βξ为在ξ方向的渗透率,m2;ξ为x,y,z3个坐标方向;Deffkkeff为组份k的有效扩散系数,m2·s-1;u为速度矢量,m·s-1;ρ为混合物的密度,kg·m-3;μ为动力粘度,Pa·s-1;ck为第k种物质的摩尔浓度,mol/m3;F为法拉第常数,C/mol;j为传输电流密度,A/m3;p为流体压力;ε为孔隙率,在流道中为1;sk为化学反应计量系数;n为组份k的得失电子数.在流道中Spξ=0;在扩散层、扩散亚层和催化层中Spξ=−μβξε2uSpξ=-μβξε2u.在流道、扩散层、扩散亚层中Sk=0.PEMFC面积比功率为0.8×0.6W/cm2,阴极空气的进气量为理论值的3倍,各模型计算边界条件相同.2结构参数对氧气分布的影响2.1流道深度对氧质量浓度的影响从图2、图3可以看出,当进气量相同,扩散层、扩散亚层、催化层参数相同时,扩散层、扩散亚层和催化层氧质量浓度的最大值随流道深度增大而减小,最小值随流道深度增大而增大,扩散层、扩散亚层和催化层表面氧质量浓度的面平均值随流道深度增大而增大.从图2和图3还可以看出,氧质量浓度的面平均值、最大值都从扩散层、扩散亚层到催化层逐渐减小.扩散层、扩散亚层作为多孔介质有使气体“均匀化”和阻碍气体传输的双重作用,在此模型的设置参数下,扩散层、扩散亚层对氧气的横向传输阻力相对小于垂直传输阻力,使氧气横向扩散更容易,有利于气体的均匀化.2.2扩散层孔径的影响从图4、图5和图6可以看出,当增大扩散层孔径时,氧质量浓度的最大值和面平均值都有所增大,最小值反而减小,也就是最大值和最小值的差值随扩散层孔径的增大而增大.说明增大扩散层孔径,氧气沿扩散层厚度方向的传输阻力在减小,有利于沿厚度方向的传输,但沿横向传输阻力相对厚度方向的纵向传输阻力减少得更慢,不利于氧气在扩散层内横向的传输,也就是不利于氧气的均匀化分布.2.3扩散亚层孔径和用量分布对氧传质的影响从图7和图8可看出,固定扩散亚层的孔径时,扩散亚层与催化层交界面氧质量浓度的最大值随扩散亚层的孔隙率的增大而增大,面平均值随扩散亚层的孔隙率的增大而有微小变化.从图9上可以看出,当固定扩散亚层的孔径不变时,扩散亚层与催化层交界面氧浓度的最大值随扩散亚层的孔隙率的增大而增大,面平均值随扩散亚层的孔隙率的增大而减小.从图10上可以看出当固定扩散亚层的孔隙率时,扩散亚层与催化层交界面氧的质量浓度的最大值随扩散亚层孔径的增大而增大,面平均值随扩散亚层的孔径的增大而减小.分析本节数据,增大了孔径和孔隙率就如同减少了物质传输的“障碍”,其对氧气垂直传输的阻力减小,氧质量浓度的最大值自然增大,但其对氧气纵向传输的阻力减小慢,不利于氧气的横向传输.氧的均匀化程度变差,氧的质量含量也降低.这和扩散层有相同的规律.3流道结构的优化增大流道深度有利于增大流道和扩散层交界面氧气的质量浓度值的面平均值.阴极气体扩散层、扩散亚层的设计应结合具体的燃料电池的流道结构尺寸和具体的运行条件来优化,孔径、孔隙率