学术简报|利用综合验证的多相非等温模型研究PEM燃料电池电流密度空间分布 ...

(本文引自天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室焦魁教授公开发表论文“Investigation of current density spatial distribution in PEM fuel cells using a comprehensively validated multi-phase non-isothermal model”)

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室焦魁教授等人于2020年4月公开发表论文“Investigation of current density spatial distribution in PEM fuel cells using a comprehensively validated multi-phase non-isothermal model”。 论文提出了质子交换膜燃料电池三维多相非等温模型，研究了不同电流密度下的电流密度空间分布、膜内含水量、温度和相对湿度(RH)。其实验数据与来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和加拿大滑铁卢大学的数据进行对比验证，证明了模型的可用性。

图1燃料电池原理图

图1为本文提出的五通道蛇形流场质子交换膜燃料电池三维模型，其中Cathode inlet代表的是阴极流场的入口，Cathode outlet代表的是阴极流场的出口；Anode inlet代表的是阳极流场的入口，Anode outlet代表的是阳极流场的出口。从图中我们可以看出这是一种气体交错性流场结构，这种结构的好处就在于它可以使阴阳极的反应气体分布更加均匀，避免出现局部气体含量较低的情况。

图2电池工作温度800C、反应气体50%加湿，3种电流密度下的电流密度分布情况

图2表示的是在电池工作温度800C、反应气体50%加湿的情况下，电池输出电流为0.1、1.0、1.2A cm-2时的电流密度分布情况。从图中可以看出，顶部区域的电流密度远高于底部，在流场出口附近存在最低的电流密度，并且随着电流密度的增加，电池局部电流密度差值增大。

图3 从入口到出口的局部电流密度值的比较

图3表示在相同情况下，电池输出电流为0.1、1.0、1.2A cm-2时电池从入口到出口的局部电流密度值的分布情况。从图中可以看出，三种电流密度下电池流场通道的中间部分的电流密度值均为高，并且越靠近中心处值越高，越远离中心处值越低。

图4表示是在电池工作温度800C、反应气体50%加湿、输出电流密度为1.2A cm-2的情况下的各参数分布情况。（a）表示流场内氧气摩尔质量分布情况，从图中可以看出入口处的氧含量最高，并且随着流场的入口到出口氧含量逐渐减小。（b）表示流场内水的饱和度，从图中可以看出，随着反应气体流径的方向，水的饱和度不断增加，这是因为随着反应的进行，水不断的产生并随着流道流向出口。（c）表示燃料电池膜内水含量，这与（b）的趋势基本相似，产生的水一部分流进流道内，一部分用于膜的加湿。（d）表示电池稳定工作时阴极催化层的温度分布，我们可以看到膜内部温度比较均匀，只有流场的拐角处温度较高，这是因为拐角处的压降比较大，气体出现沉积，导致这一部分反应较为剧烈。

图4 (a)：氧摩尔浓度；(b)：液态水饱和度；(c)：膜含水量；(d)：阴极催化层平面温度分布(353.15K，50%

图5表示在其他条件相同的情况下，采用反应气体50%加湿和25%加湿这两种情况下电流密度分布情况。50%加湿情况下，入口处产生了较高的电流密度，而25%加湿情况下，中间处产生较高电流密度，这很可能是由欧姆极化控制的，由于25%加湿入口流量更大，欧姆极化在入口附近很大，造成局部干膜，导致入口处电流密度较低。

图5电池工作温度800C、反应气体50%加湿和25%加湿电流密度分布情况

最终得出结论，当电池输出电流密度较大时，电池内部电流密度差值越大，且入口处的电流密度大于出口处电流密度，其次是当反应气体加湿度从50%降低到25%时，大电流区域从入口区域向下游移动到燃料电池的中间。通过对电池内部电流密度的模拟，可以更好的了解到电池的发电规律，为以后燃料电池性能的优化提供了参考。