车用质子交换膜燃料电池水分布分析

周 雨

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

汽车工业的不断发展为我们的日常生活带来诸多便捷的同时，也带来了资源枯竭、环境恶化以及能源安全问题等[1]。发展和推广新能源汽车成了解决能源短缺问题，推动绿色发展的有力举措[2]。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有无污染、能量密度高、续航里程长、加氢迅速等优点[3]，其非常适于应用在汽车上。目前，质子交换膜燃料电池的性能仍有很大的提高空间，由于受到电池性能等问题的影响，质子交换膜燃料电池汽车的推广受到阻碍。通过对PEMFC进行水管理可以在电池内部保持良好的水平衡关系，达到大幅提高电池性能的目的，因此，对PEMFC进行水管理必不可少[4]。

了解PEMFC内部水浓度分布规律是进行水管理的前提。电池中水过多或过少都会使电池性能下降，水过多时，会发生“水淹”现象，淹没多孔电极阻碍电化学反应的发生，还会使催化剂活性下降，电池内部电化学反应速率减慢，最终导致电池性能下降[5]；水过少时，质子交换膜失水干涸，对质子从阳极向阴极的传递造成阻碍，也会降低电池的性能[6]。

PEMFC的水管理对提高电池性能有着重要意义，对氢燃料电池汽车早日推广应用也有着实际意义，而了解PEMFC内的水浓度分布规律又是进行水管理的基础，也是本文的重点研究内容。

1 PEMFC模型的建立

1.1 PEMFC的工作原理

40～80 ℃是质子交换膜燃料电池最佳的工作温度，其工作原理是氢气通过双极板上的流道到达电池阳极气体扩散层、氧气通过流道到达阴极气体扩散层、反应气体通过气体扩散层到达催化剂层，在催化剂层发生电化学反应，1个氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子和2个电子，氢离子以水合氢离子的形式，穿过质子交换膜到达阴极[7]。与此同时，阴极的氧分子在催化剂的作用下与到达阴极的质子发生反应生成水。

各电极反应以及电池总反应为

1）阳极反应为

2）阴极反应为

3）电池总反应为

由总反应式（3）可以看出，反应气体发生电化学反应后，唯一的产物就是水。

1.2 几何模型

本文在仿真软件COMSOL Multiphysics中搭建了直流道质子交换膜燃料电池单体模型[8]，包括阴、阳极流道以及质子交换膜等七部分，几何模型如图1所示，下方是阴、阳极气体入口，上方是阴、阳极气体出口，从下到上为气体流动的方向。模型的具体尺寸参数如表1所示。

图1 直流道单体PEMFC模型

表1 电池单体模型尺寸 单位：m

1.3 模型验证

为验证模型的正确性，仿真得到电池工作温度在323.15 K，电池工作电压为0.4 V时的极化曲线及对应的数据，并与文献[9]已得到的相同条件下的结果进行对比，当误差在10.00%以内时，认为是可接受的。数据对比结果如表2所示，极化曲线对比如图2所示，经计算，除第一个点外相对误差最小为0.18%，相对误差最大为4.00%，均在10.00%以内，因此，认为模型是可靠的。

图2 极化曲线对比

表2 数据对比

2 仿真结果分析

电池温度会对电池中的催化剂活性产生影响，质子交换膜燃料电池适宜的工作温度为40～ 80 ℃，因此，温度为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃时进行仿真计算，探究电池工作温度是如何影响质子交换膜燃料电池内水浓度分布。首先将电池放电电压设为0.4 V，将工作温度分别设为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃进行求解。

由于质子交换膜燃料电池中的水分布很大程度上受到电流密度的影响，由质子交换膜燃料电池的极化曲线可知，电池的放电电压与电流密度存在关系为电池电压较高时，电流密度较小；电池电压较低时，电流密度较大。因此，放电电压也会对质子交换膜燃料电池中的水浓度分布产生影响，本文将探究放电电压为0.4 V、0.6 V、0.8 V时电池内的水分布规律。将电池工作温度设为80 ℃，将放电电压分别设为0.4 V、0.6 V、0.8 V进行求解。

经仿真计算后可得到质子交换膜阴、阳极表面的水浓度曲线，因阴、阳极水浓度分布趋势相同，故仅展示阴极的结果。

2.1 工作温度对水分布的影响

根据电池放电电压为0.4 V时，工作温度分别为40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃时运行得到的结果，绘制出沿电池长度方向的、质子交换膜阴极侧的水浓度分布，如图3所示。

图3 质子交换膜阴极表面水浓度随温度的变化

当电池的放电电压一定时，质子交换膜阴极表面的水浓度随温度的升高而下降的趋势十分明显，在40 ℃时出气口的水浓度高达9.9812 mol/m³，进气口的水浓度是4.7118 mol/m³，差值高达 5.2694 mol/m³。随温度升高质子交换膜阴极表面含水量在逐渐下降，到80 ℃时达到最低，入口处水浓度是4.1159 mol/m³，比40 ℃时入口水浓度下降了0.5959 mol/m³；出口处水浓度是8.8263 mol/m³，比40 ℃时出口水浓度下降了1.1549 mol/m³。温度的升高有利于水从阴极排出，因此，在实际应用中，应在电池适宜的工作温度范围内，尽可能地提高电池温度，有利于防止电池水淹现象的发生。

2.2 放电电压对水分布的影响

根据电池工作温度为80 ℃时，工作电压分别为0.4 V、0.6 V、0.8 V时运行得到的结果，绘制出沿电池长度方向的、质子交换膜阴极侧的水浓度分布图，如图4所示。

图4 质子交换膜阴极表面水浓度随电压的变化

当电池电压为0.4 V时，质子交换膜阴极表面的水含量最高，出口处的水浓度高达8.8152 mol/m³，而当电池电压为0.8 V时，出口处的水浓度只有1.4903 mol/m³，可以看出电压对水浓度分布的影响非常大，随着电池电压的升高，质子交换膜阴极表面的水含量不断下降。因此，在实际应用中，较低的电池工作电压能够使质子交换膜燃料电池内部保持一个较好的水平衡状态。

3 总结

1）随着工作温度的升高，质子交换膜表面的含水量下降。温度的升高有利于多余的水分从阴极排出，因此，实际应用中，在适合质子交换膜 燃料电池工作的温度范围内，应尽量提高电池的温度，这有利于保持电池内部的水平衡，也有利于提高电池的工作性能；

2）当放电电压升高时，质子交换膜阴极表面的水含量大幅下降，过大的电池放电电压会造成电池内部缺水干涸。因此，实际应用中，应综合考虑电池性能问题，选择一个较低的工作电压。