車用質子交換膜燃料電池水分布分析

周 雨

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

汽車工業的不斷發展為我們的日常生活帶來諸多便捷的同時，也帶來了資源枯竭、環境惡化以及能源安全問題等[1]。發展和推廣新能源汽車成了解決能源短缺問題，推動綠色發展的有力舉措[2]。質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有無污染、能量密度高、續航里程長、加氫迅速等優點[3]，其非常適于應用在汽車上。目前，質子交換膜燃料電池的性能仍有很大的提高空間，由于受到電池性能等問題的影響，質子交換膜燃料電池汽車的推廣受到阻礙。通過對PEMFC進行水管理可以在電池內部保持良好的水平衡關系，達到大幅提高電池性能的目的，因此，對PEMFC進行水管理必不可少[4]。

了解PEMFC內部水濃度分布規律是進行水管理的前提。電池中水過多或過少都會使電池性能下降，水過多時，會發生“水淹”現象，淹沒多孔電極阻礙電化學反應的發生，還會使催化劑活性下降，電池內部電化學反應速率減慢，最終導致電池性能下降[5]；水過少時，質子交換膜失水干涸，對質子從陽極向陰極的傳遞造成阻礙，也會降低電池的性能[6]。

PEMFC的水管理對提高電池性能有著重要意義，對氫燃料電池汽車早日推廣應用也有著實際意義，而了解PEMFC內的水濃度分布規律又是進行水管理的基礎，也是本文的重點研究內容。

1 PEMFC模型的建立

1.1 PEMFC的工作原理

40～80 ℃是質子交換膜燃料電池最佳的工作溫度，其工作原理是氫氣通過雙極板上的流道到達電池陽極氣體擴散層、氧氣通過流道到達陰極氣體擴散層、反應氣體通過氣體擴散層到達催化劑層，在催化劑層發生電化學反應，1個氫分子在陽極催化劑的作用下解離為2個氫離子和2個電子，氫離子以水合氫離子的形式，穿過質子交換膜到達陰極[7]。與此同時，陰極的氧分子在催化劑的作用下與到達陰極的質子發生反應生成水。

各電極反應以及電池總反應為

1）陽極反應為

2）陰極反應為

3）電池總反應為

由總反應式（3）可以看出，反應氣體發生電化學反應后，唯一的產物就是水。

1.2 幾何模型

本文在仿真軟件COMSOL Multiphysics中搭建了直流道質子交換膜燃料電池單體模型[8]，包括陰、陽極流道以及質子交換膜等七部分，幾何模型如圖1所示，下方是陰、陽極氣體入口，上方是陰、陽極氣體出口，從下到上為氣體流動的方向。模型的具體尺寸參數如表1所示。

圖1 直流道單體PEMFC模型

表1 電池單體模型尺寸 單位：m

1.3 模型驗證

為驗證模型的正確性，仿真得到電池工作溫度在323.15 K，電池工作電壓為0.4 V時的極化曲線及對應的數據，并與文獻[9]已得到的相同條件下的結果進行對比，當誤差在10.00%以內時，認為是可接受的。數據對比結果如表2所示，極化曲線對比如圖2所示，經計算，除第一個點外相對誤差最小為0.18%，相對誤差最大為4.00%，均在10.00%以內，因此，認為模型是可靠的。

圖2 極化曲線對比

表2 數據對比

2 仿真結果分析

電池溫度會對電池中的催化劑活性產生影響，質子交換膜燃料電池適宜的工作溫度為40～ 80 ℃，因此，溫度為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃時進行仿真計算，探究電池工作溫度是如何影響質子交換膜燃料電池內水濃度分布。首先將電池放電電壓設為0.4 V，將工作溫度分別設為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃進行求解。

由于質子交換膜燃料電池中的水分布很大程度上受到電流密度的影響，由質子交換膜燃料電池的極化曲線可知，電池的放電電壓與電流密度存在關系為電池電壓較高時，電流密度較小；電池電壓較低時，電流密度較大。因此，放電電壓也會對質子交換膜燃料電池中的水濃度分布產生影響，本文將探究放電電壓為0.4 V、0.6 V、0.8 V時電池內的水分布規律。將電池工作溫度設為80 ℃，將放電電壓分別設為0.4 V、0.6 V、0.8 V進行求解。

經仿真計算后可得到質子交換膜陰、陽極表面的水濃度曲線，因陰、陽極水濃度分布趨勢相同，故僅展示陰極的結果。

2.1 工作溫度對水分布的影響

根據電池放電電壓為0.4 V時，工作溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃時運行得到的結果，繪制出沿電池長度方向的、質子交換膜陰極側的水濃度分布，如圖3所示。

圖3 質子交換膜陰極表面水濃度隨溫度的變化

當電池的放電電壓一定時，質子交換膜陰極表面的水濃度隨溫度的升高而下降的趨勢十分明顯，在40 ℃時出氣口的水濃度高達9.9812 mol/m3，進氣口的水濃度是4.7118 mol/m3，差值高達 5.2694 mol/m3。隨溫度升高質子交換膜陰極表面含水量在逐漸下降，到80 ℃時達到最低，入口處水濃度是4.1159 mol/m3，比40 ℃時入口水濃度下降了0.5959 mol/m3；出口處水濃度是8.8263 mol/m3，比40 ℃時出口水濃度下降了1.1549 mol/m3。溫度的升高有利于水從陰極排出，因此，在實際應用中，應在電池適宜的工作溫度范圍內，盡可能地提高電池溫度，有利于防止電池水淹現象的發生。

2.2 放電電壓對水分布的影響

根據電池工作溫度為80 ℃時，工作電壓分別為0.4 V、0.6 V、0.8 V時運行得到的結果，繪制出沿電池長度方向的、質子交換膜陰極側的水濃度分布圖，如圖4所示。

圖4 質子交換膜陰極表面水濃度隨電壓的變化

當電池電壓為0.4 V時，質子交換膜陰極表面的水含量最高，出口處的水濃度高達8.8152 mol/m3，而當電池電壓為0.8 V時，出口處的水濃度只有1.4903 mol/m3，可以看出電壓對水濃度分布的影響非常大，隨著電池電壓的升高，質子交換膜陰極表面的水含量不斷下降。因此，在實際應用中，較低的電池工作電壓能夠使質子交換膜燃料電池內部保持一個較好的水平衡狀態。

3 總結

1）隨著工作溫度的升高，質子交換膜表面的含水量下降。溫度的升高有利于多余的水分從陰極排出，因此，實際應用中，在適合質子交換膜 燃料電池工作的溫度范圍內，應盡量提高電池的溫度，這有利于保持電池內部的水平衡，也有利于提高電池的工作性能；

2）當放電電壓升高時，質子交換膜陰極表面的水含量大幅下降，過大的電池放電電壓會造成電池內部缺水干涸。因此，實際應用中，應綜合考慮電池性能問題，選擇一個較低的工作電壓。