质子交换膜燃料电池两相流模型研究综述_贾秋红

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过 电化学反应直接转化为电能的具有广阔发展前景的新型能源 发电装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其工作温度低、启 动速度快、噪声低、结构紧凑和比功率高等优点尤其受到关注。 世界上多家科研机构及公司对 PEMFC 的性能、材料、装配、密 封等关键技术进行了广泛而深入的研究。我国对 PEMFC 的研 究开发比较晚，但已取得很大进展。
Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｔｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｉｎ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ （ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｗａｔｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ） ａｎｄ ｇｏｏｄ ｗａｔｅｒ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｃｅｌｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ． Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ， ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｗａｔｅｒ， ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ２－Ｄ ａｎｄ ３－Ｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ； ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｍｏｄｅｌ； ｗａｔｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ
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综
述
图 １ ＰＥＭＦＣ 工作原理示意图 理以使电池内部水达到平衡，否则将严重影响 PEMFC 的性能 和寿命。
３ ＰＥＭＦＣ 两相流模型
PEMFC 的水管理主要涉及两个问题：质子交换膜合适的 含水量和生成的液态水管理。由于 PEMFC 的工作温度低，工 作压力高于常压，而 PEMFC 工作时会产生液态水。燃料电池 反应气中液态水的存在，导致 PEMFC 内部物质传递为气液两 相。因此，用合适的两相流模型研究 PEMFC 内部物质传递现 象，才能与其实际工况更加相符。以下对目前主流的二维和三 维两相流模型的发展状态进行较深入的分析。
Yi[10]建立了一个交叉指状流道 PEMFC 二维、两相多组分 传质模型来研究水蒸气和液态水动力学对以空气为氧化剂的 电池性能的影响。该模型用对流和毛细压力扩散机理描述了 多孔电极中液态水的传递现象。结论是：提高气体压力入口和 出口间的压差会加快氧气传递速度，同时优化电池极板厚度， 可以提高电池性能。
３．１ 二维两相流模型
2000 年，He 等[7]针对指状流场建立了垂直于流道方向上 的阴极两维两相稳态模型，此模型未考虑流道中的实际流动 情况，着重研究扩散层内的两相流动，利用达西定律导出了液 相饱和度与气相速度之间的关系。得出结论：阴极交趾流场中 液态水的蒸发和传递是两种主要的水转移方式，进出口之间 的高压差会加快液态水和氧气的流通，从而提高电池性能。
PEMFC 对温度和含水量要求很高。近年来，研究者主要 是通过建立各种数学模型来模拟和研究 PEMFC 中各组分含 量和热量的传递现象，燃料电池中水的状态和分布是近几年 来模拟研究的重点[1]。
１ ＰＥＭＦＣ 的工作原理
PEMFC 主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、双极板和 密封圈组成。膜两侧是气体电极，是由兼作电极导电支撑体和 气体扩散层的碳纸和催化剂组成。与膜电极三合一紧密接触的 是双极板，其作用是向电极传送反应气体、电流收集和传送[2-4]。
Quan 等 研 [18] 究了 PEMFC 的阴极空气流道表面憎水性、 流道形状和空气进气速度对水传递以及含水量的影响，并对
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两相压降进行了详细的讨论。结果表明，流道表面的憎水性对 水沿流道表面的传递有很重要的影响，憎水的流道表面会由 于水的扩散而增加压降，两相在流道内的压降随进口空气速 度的增加而增加。
３．２ 三维两相流模型
与二维模型不同的是，PEMFC 的三维模型考虑了流道方 向和集流板肩部的影响，可对电池内部的传递过程进行更详 细和准确的研究，更能体现研究参数的实际分布特征。因此， 近年来 PEMFC 两相流的三维模型较多。
Dutta 等[17]在直流道 PEMFC 内发展了流动和电流密度的 整合模型，讨论了三维模拟的必要性。结果表明：对扩散层参 数的考虑可得到相对无扩散层更低和更均匀的电流分布；膜 的厚度和电池电压对电流密度与净水传递速率的轴向分布有 很大的影响；通过流道宽度对水在阴极和阳极之间传递影响 的模拟表明扩散和电渗之间的微妙平衡以及它们沿流道对电 流密度分布的影响。
Yazdi[19]建立了一个单电池准三维模型。该模型模拟的主 要区域是阴极流道、气体扩散层、催化剂层和质子交换膜。模 型主要考虑了流道和气体扩散层内的传质，催化剂层内的电 化学反应和质子交换膜内的质子传递，通过改变运行条件预 测燃料电池的性能。
N.Khajeh 等 建 [20] 立了 PEMFC 阴极瞬态三维等温两相流 模型，来研究液态水形成和气相输运的动力学特性及气相和 液相的动态响应。结果表明：液态水首先在阴极通道上方的催 化层中产生，然后因毛细压力作用扩散到流道区域；靠近流道 处液态水的饱和度较低，在远离流道的挡边处饱和度达到最 大值。此模型不足之处在于计算区域只包含了阴极，没有模拟 阳极和质子交换膜中的传质现象。
PEMFC 的化学反应方程式为： 阳极(负极)：H2 → 2 H++2 e－ 阴极(正极)：l/2 O2+2 H++2 e－→ H2O 电池反应：H2+ l/2 O2 → H2O
２ ＰＥＭＦＣ 的含水量及水迁移
影响 PEMFC 性能的关键因素是其合理的水管理[5]，而 PEMFC 水管理最主要是膜中合适的含水量。质子交换膜内水含 量的变化主要与电池中水迁移等因素有关。电池中水迁移大 致分为三种形式[6]：(1)压力迁移，即在膜两侧的压力差的作用 下水从压力高的一侧传递到压力低的一侧；(2)电迁移，即被水 化的氢离子在电渗力的作用下由阳极向阴极运动；(3)水在浓 度梯度下的扩散，即在电渗作用下，水在质子交换膜两侧形成 浓度差，水由阴极向阳极反扩散，且扩散的速度与浓度梯度成 正比。在深入了解水迁移的基础上，必须进行燃料电池的水管
在 2001 年，Wang 等[12]研究了一个二维两相流混合模型， 模拟分析了 PEMFC 阴极中反应物和生成物的传递现象，计算 了两相区的传质现象，首次给出了 PEMFC 内部水饱和度分布 的模拟结果。但此模型没有模拟阳极和质子交换膜中的传质现 象，也没有考虑温度的影响。在此模型中最重要的是：Leverrt-J 函数被首次应用到扩散层内毛细压力和饱和度的关系中，且此 关系式已被广泛接受并应用于燃料电池性能实验研究。
胡军、衣宝廉等[8]针对常规条形流场 PEMFC 建立了加入 电传导方程、垂直于流道方向上的二维阴极两相流模型。研究 表明：靠近反应界面处，水以液相迁移为主；靠近流道处，则以 气相迁移为主。与单相流模型相比，该模型可更好ajan[9]在以上研究基础上建立了一个传统流 场的二维、两相、多组分瞬态模型，采用组分扩散方程描述气 体传递现象，提出在高电流密度下，提高电池温度，使用较干 燥的输入气体，减少气体扩散层的厚度和采用高孔隙率的多 孔介质都有利于液态水的排出。结果显示：液态水在气体扩散 层中的传递速度最慢。
工作原理如图 1 所示。氧气和氢气通过双极板上的导气通道 分别到达电池的阴极和阳极，反应气体通过电极上的扩散层 到达质子交换膜，在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用 下离解为氢离子(质子)和电子，氢离子以水合质子 H+ (xH2O) 的形式经由质子交换膜转移到阴极，电子在电极内传递至负 极集流板经外电路负载流向阴极，在阴极催化层上和氢离子、 氧原子结合成水分子，生成的水通过电极随反应尾气排出。
具有优良性能的关键因素。对质子交换膜燃料电池的工作原理、液态水的生成和迁移过程及水管理现状进行了阐述，重
点对质子交换膜燃料电池二维、三维两相流模型研究的内容、现状及模型的优缺点做了较全面的综述。
关键词：质子交换膜燃料电池；两相流模型；水管理；研究进展
中图分类号：ＴＭ ９１１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２０１５）０８－１７８３－０３
PEMFC 属于低温燃料电池，工作温度一般在 40～80 ℃，
收稿日期：２０１５－０１－１３ 基金项目：重庆市教育委员会科学技术研究项目（ＫＪ１１０８１０）；重庆 市科委自然科学基金计划项目（ＣＳＴＣ２０１０ＢＢ４３０２） 作者简介：贾秋红（１９７４—），男，山西省人，副教授，主要研究方向 为燃料电池系统设计、机械设计。
张亚和朱春玲等 简 [11] 化液态水淹没的模拟，建立了一个 PEMFC 二维全电池稳态综合数值模型。该模型综合考虑参与 电化学反应的三个要素：反应物质、电子和质子的传输过程， 液态水的淹没，膜内水传输现象。结果显示：输出电压越小，液 态水淹没电极现象越严重；阴极液态水的生成有利于膜保持 较高电导率，但会淹没电极而使有效电极面积减小，导致电池 性能下降。
You 在 [13] 2002 年建立了一个全面的 PEMFC 二维两相流 数学模型，得到氧气、水蒸气、液态水在气体通道、扩散层和催 化层中的分布状态。研究认为：阴极两相流模型是非常必要 的，因为在较低的工作电流密度下阴极仍然可能出现两相流 动，电流密度、电池温度、燃料和氧化气体的加湿温度对阴极 中的两相流有很大的影响。但此模型中对催化层和质子交换 膜内的物质及质子传递方程的求解是按准两维进行的，只考 虑了厚度方向的传递而未考虑平面内的传递，求解时扩散层 和流道是作为整体求解，而催化层和质子交换膜是单独求解。