图案化膜对PEMFC阴极质量传递的影响研究_陈鑫.pdf
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1、2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期:2022-08-09基金项目:江苏省科技项目(BE2019006-3)作者简介:陈鑫(1999),男,湖南省人,本科,主要研究方向为PEMFC水热管理。通信作者:尹必峰图案化膜对PEMFC阴极质量传递的影响研究陈鑫,覃文山,解玄,尹必峰(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)摘要:为了探究图案化膜通过影响单电池内部水气输运机制进而影响电池性能这一中间机理过程,建立了质子交换膜燃料电池的单电池模型,并进行了数值仿真计算,对比了微孔图案膜和凸起图案膜的性能,发现微孔膜的效果更佳。探究了质子交换膜阴极表面微孔的半径和数量对
2、燃料电池性能和阴极质量传递的影响。结果表明,微孔的存在可以起到一定的微储水作用,使膜的湿润性增加,进而利于质子传导,这也是相较于凸起膜,微孔膜性能更好的主要原因。随着微孔半径的增加,膜的储水能力增大,产生的电流密度逐渐变大。随着微孔数量的增多,膜表面水含量和电流密度也有一定的升高趋势,但趋势均不太明显。关键词:质子交换膜燃料电池;图案化膜;质量传递;微储水作用中图分类号:TM 911文献标识码:A文章编号:1002-087 X(2023)03-0348-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.017Effect of patterned membrane
3、on cathode mass transfer of PEMFCCHEN Xin,QIN Wenshan,XIE Xuan,YIN Bifeng(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)Abstract:In order to explore the intermediate mechanism that patterned membrane affects the performance offuel cell by affecting th
4、e water and gas transport mechanism inside the cell,a single cell model of protonexchange membrane fuel cell was established and numerical simulation was carried out.The performance ofmicroporous membrane was compared with that of convex membrane,and the effect of microporousmembrane was better.Then
5、 the influence of the radius and number of micropores on the performance of thefuel cell and the mass transfer of the cathode was investigated.The result shows that the micropores in themembrane can play a role in micro-water storage pond,which increases the wettability of membrane so thatfacilitati
6、ng proton conduction,which is also the main reason for the better performance of the microporousmembrane compared with the convex membrane.With the increase of the micropore radius,the water storagecapacity of the membrane and the current density gradually increases.With the increase of the number o
7、fmicropores,the water content and current density of the membrane surface also have a certain increasingtrend,but the trend is not obvious.Key words:proton exchange membrane fuel cell;patterned membrane;mass transfer;micro water storage氢燃料电池汽车是新能源汽车发展的重要方向,发展氢燃料电池汽车对改善能源结构,稳定能源供给,具有非常重要的意义1。质子交换膜(pr
8、oton exchange membrane,PEM)是PEM燃料电池的关键部件之一,它具有隔绝反应气和传导质子等作用2。一方面,PEM 需要保持一定的润湿性来保证质子的传递;另一方面,阴极催化层内氧气浓度与电流密度大小密切相关,而水是在阴极侧反应生成,阴极侧的水气含量对电池性能具有重要影响3。因此,阴极侧 PEM 和催化剂层的界面设计有着极其重要的意义。目前,图案化膜越来越成为质子交换膜的发展趋势,很多国内外学者通过在膜表面设计各种微图案结构来增大膜表面积,进而提高电池反应效率并改善电池性能。S.Cuynet等4在NR211膜阴极表面通过热压法形成了圆柱凸起和圆柱孔的微结构,发现具有圆柱凸起
9、的膜所获得的电流密度和功率密度均比平板膜的要高。Yukwon Jeon等5在膜表面通过PDMS模具制备了分别具有圆形、方形、六角形的图案化膜,使 得 膜 表 面 积 和 铂 的 利 用 率 及 传 质 效 率 均 大 大 提 高。Michael T.Y.Paul 等6通过在膜表面制备一种具有阵列分布的圆柱孔,并进行了实验,结果表明,质子交换膜燃料电池中的水管理特性有所改善。上述研究中,几乎都是通过单电池或电堆电化学实验来验证图案化膜对燃料电池性能的影响,并不能解释图案化膜通过影响单电池内部水气输运机制进而影响电池性能这一中间机理过程,因此亟需通过数值计算方法寻求图案化膜对单电池内部水气输运机制
10、的影响关系。本文通过建立图案化质子交换膜燃料电池的单电池模型,并进行了三维数值计算,探究了不同图案化结构和结构参数对膜电极性能和阴极侧水气分布的影响。3482023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计1 模型建立1.1 计算域建立了由质子交换膜、流道、气体扩散层和催化层组成的三维单相、多组分、等温、稳态电化学模型,如图 1 所示。PEMFC的总长度为20 mm;流道高度为1 mm,宽度为0.787 4mm;GDL 厚度为 0.38 mm,宽度为 1.7 mm;催化剂层厚度为0.05 mm,宽度为 1.7 mm;PEM 厚度为 0.1 mm,宽度为 1.7mm。质子交换膜阴极表面具有阵列分
11、布的半圆形微孔/微凸起结构。微孔/凸起的半径为r,间距为S。1.2 模型假设模型的假设如下:气体流动为层流且不可压缩;阳极GDL端接地,阴极GDL端电位恒定;燃料电池工作在稳定状态;忽略接触电阻。1.3 控制方程质量守恒方程:u=Q/(1)动量方程:u u=-pI+u+()uT(2)式中:为动力粘度,kg/(ms);Q 为源项,kg/(m3s);为气体混合物密度,kg/m3;u为速度矢量,m/s;T为工作温度,K。其中,通过式(3)计算:=ixi i(3)通过式(4)计算:=(ixiMi)P/()RT(4)整个计算域的多物质质量传递由Maxwell-Stefan方程求解:-wij=1NDij|
12、M/Mj(wj+wjM/M)+(xj-wj)P/P+wiu?=Ri(5)式中:Dij为二元扩散系数;x为摩尔分数;w为质量分数;M为分子质量;R 为理想气体常数,J/(molK);i、j 代表不同的物质;Ri为反应速率。二元扩散系数根据式(6)计算:Dij=Dij_0(T/TO)1.5(6)Ja和Jc分别为阳极和阴极交换电流密度,根据式(7)和(8)计算:Ja=airef0,a(CH2/CH2,ref)0.5(a+c)Fa/RT(7)Jc=airef0,c(CO2/CO2,ref)exp(-cFa/RT)(8)式中:为过电位。1.4 边界和初始条件阳极和阴极通道分别供应氢气和空气。气体入口速度
13、是根据化学计量比、燃料电池有效面积比和流道尺寸计算所得:Uin_cathode=c()I 4 F xO2RT/(PAchannelnchannel)(9)Uin_anode=a()I 2 F xH2RT/(PAchannelnchannel)(10)式中:U为平均入口速度;Achannel为流道横截面面积;nchannel为流道数量。在阳极气体扩散层和阳极催化剂层之间的界面处预先设置电位。阳极集电器设置为 0 V,阴极集电器设置为电池工作电压。模型参数的值如表1所示。1.5 数值计算利用 COMSOL Multiphysics5.5 对 PEMFC 中反应物和水的稳态传递进行了模拟计算,模型中
14、所有网格均采用四面体网格结构。分别计算了网格数量为300万、280万和250万的模型,发现这三种情况下的极化曲线基本相同。为了同时兼顾计算时间和计算精度,选择网格数为280万进行计算,网格尺寸大约为26 m。2 结果与讨论2.1 模型验证为了验证本模型的正确性,本文与 Hadi等7发表的结果进行了对比。采用的模型尺寸和工作条件与文献中的一致,具体参数如表2。图1单电池模型示意图表 1 模型参数 参数 值 参数 值 加湿温度/28 孔隙率 0.4 运行温度/50 阳极交换 电流密度/(Am-2)100 阳极计量比 1.2 阴极交换电流 密度/(Am-2)0.001 阴极计量比 2.0 阳极入口
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