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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2024, Vol. 58 Issue (4): 808-816    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.04.016
机械工程、能源工程     
孔隙率分布对质子交换膜燃料电池性能的影响
殷宇捷1,2(),孙峰3,苏丹丹1,2,*(),秦帅昌1,2,聂旭亮1,2,庞彬1,2
1. 河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002
2. 河北省新能源汽车动力系统轻量化技术创新中心，河北 保定 071002
3. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100080
Effect of porosity distribution on performance of proton exchange membrane fuel cells
Yujie YIN1,2(),Feng SUN3,Dandan SU1,2,*(),Shuaichang QIN1,2,Xuliang NIE1,2,Bin PANG1,2
1. School of Quality and Technical Supervision, Hebei University, Baoding 071002, China
2. Hebei Technology Innovation Center for Lightweight of New Energy Vehicle Power System, Baoding 071002, China
3. Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100080, China
 全文: PDF(5690 KB)   HTML
摘要：

建立平行、蛇形及叶脉流场的三维质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型，分析不同模型中催化层(CL)的氧气分布特征. 针对不同流场模型提出对应的气体扩散层(GDL)孔隙率梯度分布方案，分析不同流场模型中氧气摩尔分数分布、膜电流密度分布、极化曲线与功率密度曲线. 结果表明，所提GDL孔隙率梯度分布方案能够强化氧气由GDL向CL的传输效果，改善CL上局部氧气供应不足现象，提升PEMFC输出性能. 与常规孔隙率分布的平行、蛇形及叶脉流场模型相比，采用孔隙率梯度分布的流场模型的峰值功率密度分别提高了8.59%，18.26%和15.46%.
关键词： 质子交换膜燃料电池(PEMFC);  流场;  气体扩散层;  孔隙率;  催化层    
Abstract:

The three-dimensional models of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with parallel, serpentine and leaf vein flow fields were established, and the oxygen distribution characteristics of catalytic layer (CL) in different models were analyzed. The corresponding porosity gradient distribution schemes in gas diffusion layer (GDL) were proposed for different flow models. The oxygen molar fraction distribution, membrane current density distribution, polarization curve and power density curve in different flow field models were analyzed. Results show that the proposed porosity gradient distribution scheme can effectively enhance the oxygen transfer from GDL to CL, improve the local oxygen supply deficiency of CL, and enhance the output performance of PEMFC. Compared with the parallel, serpentine and leaf vein flow field models of the conventional porosity distribution, the peak power density of the flow field model using the porosity gradient distribution increased by 8.59%, 18.26% and 15.46%, respectively.
Key words: proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)    flow field    gas diffusion layer    porosity    catalytic layer
收稿日期: 2023-03-13 出版日期: 2024-03-27
CLC:  TM 911.4  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51902081）；河北省自然科学基金资助项目（E2021201032）；保定市科技计划资助项目（2074P019）；河北大学高层次人才科研启动项目（521100222037）.
通讯作者: 苏丹丹     E-mail: yyjhbu@163.com;sudandanhbu@hbu.edu.cn
作者简介: 殷宇捷（1998—），男，硕士生，从事车载氢燃料电池关键技术研究. orcid.org/0009-0009-6035-914X. E-mail：yyjhbu@163.com
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殷宇捷
孙峰
苏丹丹
秦帅昌
聂旭亮
庞彬

引用本文:

殷宇捷,孙峰,苏丹丹,秦帅昌,聂旭亮,庞彬. 孔隙率分布对质子交换膜燃料电池性能的影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2024, 58(4): 808-816.

Yujie YIN,Feng SUN,Dandan SU,Shuaichang QIN,Xuliang NIE,Bin PANG. Effect of porosity distribution on performance of proton exchange membrane fuel cells. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2024, 58(4): 808-816.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2024.04.016    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2024/V58/I4/808

图 1  不同孔隙率的扩散层SEM图像
图 2  质子交换膜燃料电池流场的几何模型
参数数值参数数值
流道宽度/mm1.0阴极入口速度/（m·s?1）5.180 7
流道高度/mm1.0阳极入口速度/（m·s?1）1.450 6
肋板宽度/mm1.0加湿温度/K301.15
GDL宽度/mm2.54GDL渗透率/m21.18×10?13
膜厚度/mm0.1多孔电极渗透率/m22.36×10?14
CL厚度/mm0.05阴极传递系数1.0
电池温度/K333.15入口水的摩尔分数0.374 98
参考压力/Pa101 330入口氢的摩尔分数0.625 02
开路电压/V0.97入口氧的摩尔分数0.131 26
GDL电导率/（S·m?1）4 000入口氮的摩尔分数0.493 77
阴极化学计量比3相对湿度/%100
阳极化学计量比2——
表 1  质子交换膜燃料电池模型的几何参数和操作条件
图 3  质子交换膜燃料电池模型的网格无关性验证
图 4  3组仿真极化曲线与实验数据对比
图 5  平行流场常规孔隙率分布方案以及3种方案对应的催化层氧气摩尔分数分布（Uw=0.54 V）
图 6  平行流场梯度孔隙率分布方案以及3种方案对应的催化层氧气摩尔分数分布（Uw=0.54 V）
图 7  平行流场中不同孔隙率分布方案的氧气平均摩尔分数
图 8  平行流场不同孔隙率分布方案的膜电流密度分布（Uw=0.54 V）
图 9  平行流场不同孔隙率分布方案的平均膜电流密度
图 10  平行流场不同孔隙率分布方案极化曲线与功率密度曲线
图 11  蛇形流场常规孔隙率分布方案以及3种方案对应的催化层氧气摩尔分数分布（Uw=0.54 V）
图 12  蛇形流场梯度孔隙率分布方案以及5种方案对应的催化层氧气摩尔分数分布（Uw=0.54 V）
图 13  蛇形流场不同孔隙率分布方案的膜电流密度分布（Uw=0.54 V）
图 14  蛇形流场不同孔隙率分布方案的平均膜电流密度
图 15  蛇形流场不同孔隙率分布方案极化曲线与功率密度曲线
图 16  叶脉流场常规孔隙率分布方案以及3种方案对应的催化层氧气摩尔分数分布（Uw=0.54 V）
图 17  叶脉流场梯度孔隙率分布方案以及3种方案对应的催化层氧气摩尔分数分布（Uw=0.54 V）
图 18  叶脉流场不同孔隙率分布方案的氧气平均摩尔分数
图 19  叶脉流场不同孔隙率分布方案的膜电流密度分布（Uw=0.54 V）
图 20  叶脉流场不同孔隙率分布方案的平均膜电流密度
图 21  叶脉流场不同孔隙率分布方案极化曲线与功率密度曲线
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