燃料电池阴极催化层表面的液态水和氧气分布

1,3， ，2汽车 (3广西玉林柴油机厂，广西537000)对质子交膜池(PEMFC:roonExcaneebraeuele)进行效的水理可以质子交换膜处于良好的润湿状态，防止水淹电极，有助于提高电池的性能[1]。.erng2、Ugur[3等人研究FLUENT软件中PEMFC计算计算对象采用Gambit软件建立几何单电池模型如图1，包 流道、扩层和催化层，板尺寸为50*4mm2，集流板,扩散层厚度0.2mm, 化层厚 的方向为许多电池运行参数和结构参数都影响水含量。根据Flunet 电池运行 氧气分布 参数固定， 图1几何模型阴极催化层表面的液态),zx＝0和阴极催化层表面（y＝-0.00003图2a是在不同条件极催化层表面的液态饱和度从出口到进口（图中横坐标为0的位置对变化关系曲线。当电流密度很小时，阴极催化层表面的液态饱和度接近于0，因为电池在小电流密度没有进行加湿，故在该条件极催化层表面液态饱和度基本上接近于0，只在靠近出口的位置由于从进图2b是在不同阴极加湿条件极催化层表面液态饱和度的变化关系曲线。在该条件下，阴极催化催化层表面的液态饱和度影响更大，在进口位置（z＝0的位置70℃加湿条件下催化层中

0.6水的液态饱和度水的液态饱和度

z

707050

水的液态饱和度水的液态饱和度

z(c)阳极加湿温度 (d)电池运行温度图2阴极催化层表面的液态饱和度的影响因素图2c是在不同阳极加湿条件极催化层表面液态饱和度变化关系曲线。在该条件下，阴极催化层值在0.01以内，这就说明在阴极充分加湿的条件下，阳极加湿对阴极催化层上液态饱和度的影响较小。图2d是在不同电池运行温度条件极催化层表面的液态饱和度的变化关系曲线。随着电阴极催化层表面氧气图3a是不流密度极催化层表面氧气浓度。随着电流密度的增大，阴极催化层表面氧气浓度0.1240.1240.61.185005070

7070500氧气摩尔氧气摩尔百分含

从出z坐(c)阳极加湿温度 (d)电池运行温度图3阴极催化层表面的氧气浓度的影响因素图3b是在不同阴极加湿温度极催化层表面氧气浓度。随着阴极加湿温度的提高，阴极催化层表图3c是在不同阳极加湿温度极催化层表面氧气浓度。随着阳极加湿温度的提高，阴极催化层表水，同时反扩散从阴极到阳极的水更少，这样就导致阴极内水含量，气态水含量的增加直接导致图3d是在不同运行温度极催化层表面氧气浓度。在靠近进口位置，催化层表面氧气浓度随着燃结衣宝廉.电池——原理·技术·应用[M].：化学工业.2003，15-BerningT,LuDM,DjilaliN.Three-dimensional ysisoftransportphenomenainaPEMfuelcell[J].PowerSources,2002,(106):284-UgurP,WangCY.ComputationalFluidDynamicsModelingofProtonExchangeMembraneFuelCellsusingFLUENT.2002FLUENTUserGroupMeeting,Manchester,NH,2002LiquidWaterandOxygenDistributiononCathodeCatalystLayerofPEMFuelKunLiu1,2,XianghuaLi1,3,Jinsheng1StateKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforMaterialsSynthesisandProcessing,2SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Hubei430070,;:Themanagementofliquidwateroftheprotonexchangesmembranefuelcellisaimportantcompositionofimprovingtheperformanceofthefuelcell,simulationcanofferthescientifictheoreticaldirectionforoptimizationoftheprotonexchangesmembranefuelAsingle-flowfuelcellmodelisbuiltusingtheGambitsoftwareinthisarticle,utilizethemoduleofPEMoftheFLUENTsoftwaretosolvethetransmitequationgroupandelectrochemicaldynamicsequation,inthedifferentoperatingconditionsofthefuelcellsuchasthedensityofthecurrentandtemperature,thehumidificationtemperatureofthecathodeandanode,etc,thatinfluencethesurfacesaturationofthecathodecatalysislayer,densityofsurfaceoxygenofcathodecatalysislayer.Ithasrevealedtheliquidwaterandoxygendistributioninthecathodecatalysislayerintheprotonexchangemembranefuelcell.Theresultofcalculationiscomparingwiththeexperimentalresult,thetwoareidenticalbetter,thisprovesthatusingFLUE