进气湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响

0、背景：

燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种能有效控制燃料和氧化剂的化学反应，并将其中的化学能直接转化为电能的电化学装置，是一种把燃料中的化学能转换成电能的能量转换器，被誉为继火电、水电及核电之外的第 4 种发电方式。燃料电池虽然名叫「电池」，但实际和电池是有区别的，电池属于储能器范畴，而燃料电池不储能，本质上只是一个能量转换器，更像是一台「发电机」。

与传统发电方式相比，燃料电池有其特殊之处：在反应过程中，燃料电池能量转换过程无明火燃烧活动，所以能量转换效率不受「卡诺循环」限制。除此之外，燃料电池还具有燃料多样化、噪音低、排气较清洁、对环境污染小、维修性好以及可靠性高等优点。

图1  燃料电池直接发电与传统间接发电对比

在所有的燃料电池类型中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作温度最低，也是发展规模最大的一种。Fuel Cell Today 统计数据显示，2005 - 2010 年，在小型电源领域，国际上有超过 15 万套燃料电池交付使用，总功率远超 15 MW，而在这其中，有 96% 是PEMFC。同时，PEMFC 在交通领域也被「寄予厚望」，全球几乎所有的汽车制造商都在致力于燃料电池汽车的研发。

1、燃料电池简介：

典型的质子交换膜燃料电池（PEMFC）主要由双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。在阳极侧，氢气由双极板气体流道进入阳极气体扩散层，经阳极气体扩散层到达阳极催化层发生氧化反应：

反应生成的质子通过质子交换膜进入阴极催化层，电子通过外电路达到阴极催化层。在阴极侧，氧气由双极板气体流道进入阴极气体扩散层，经阴极气体扩散层到达阴极催化层与质子和电子发生还原反应：

燃料电池总反应方程式为：

反应过程中生成的水除了部分进入质子交换膜内，其余随反应过量气体排出。

图2 质子交换膜燃料电池原理图

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是目前最接近商业化的燃料电池，也是未来最有希望为新能源汽车提供动力的电池。PEMFC 单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，质子交换膜作为传递 H+ 的介质，只允许 H+ 通过，其结构如下图所示：

图3 PEMFC 燃料电池结构图

膜电极组件（MEA）是燃料电池系统的核心组件，主要由GDL、CL和PEM组成，有些研究中也会加入MPL层，本案例中包含MPL层。水管理对于PEMFC的性能至关重要，液态水的积聚会导致反应气体的传递受阻影响电池性能，而过于干燥条件下，质子交换膜及催化层的离子聚合物的质子电导率下降，同样会导致电池性能下降。为了使PEMFC保持合适的湿度，会对进气进行加湿，本案例研究进气的相对湿度对PEMFC性能的影响。

图4 离子聚合物吸水率与电导率关系

图5 离聚物中水扩散系数与吸水率关系

2、建模内容：

     模型需要用到二次电流分布、浓物质传递和稀物质传递三种物理场，其中二次电流分布接口用于描述电极和电解质中的电荷转移，其中多孔电极的动力学表达式与浓度有关。

浓物质传递接口里一般选择Maxwell-Stefan方程对气相中物理的质量传递进行建模。氢气和水蒸气的质量分数在阳极侧求解，氧气、氮气和水蒸气的质量分数在阴极侧求解。

图6 PEMFC一维模型

图7 模型需要用到的物理场

稀物质传递接口用于模拟水在催化层和质子交换膜的离子聚合物相里的传输，本案例里使用Nernst-Plank方程定义水的分子通量。

图8 进气湿度进行参数化扫描

3、结果分析：

图9和图10可以看出在阳极和阴极进气相对湿度都为95%时，离子聚合物质子电导率最大，同时产生的电流最大，电池性能最好。进气相对湿度都为70%时，离子聚合物质子电导率最小，同时产生的电流最小。值得注意的是因为本模型比较简单，不能反映出大电流密度下电池性能下降。

图9 阳极室和阴极室中气体的各种相对湿度的极化图

图10 不同湿度下离子聚合物电导率

注：本案例是comsol案例库中的一个关于燃料电池的案例，新版的comsol5.6版本已经新增了燃料电池模块可以直接进行燃料电池的计算，由于笔者没有对comsol进行更新，所以本案例还是基于comsol5.5版本进行计算。

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