扩散层孔隙率随机分布对燃料电池性能的影响

１ 数 学模 型
１ １ 控 利 万 程 ．
ｌ ｅ， Ｄ ） ａ ｒＧ Ｌ 起着支撑催化层 、 ｙ 传递反应 气体 、 水 、 排 导热 、 电等 重要 作 用ｌ ． 的材 料 组 成 、 工工 导 １它 ］ 加 艺、 气体孔隙率 等对燃 料 电池性 能 影 响很 大 ， 中 其 以孔 隙率 分 布对 电 池 性 能 影 响尤 为严 重． ｕａ Ｇ ｒｕ 等＿ 通过一维 的半 电池 模型研 究 孔 隙率 非均匀 性 ２ 的影响 ， 考虑 了扩散层孔 隙被液态水 部分堵塞 的情 形． ｈ ａ Ｃ ｕ 等 从平均孔 隙率 的角度 出发 ， 出了孔 提 隙率梯度变化的扩散层 ， 研究不 同电流密度下不 同
（ 汉 理 工 大 学 汽 车 工 程 学 院” 武 汉 武 ４０ ７ ） ３ ０ ０
摘 要 ： 子交 换 膜 燃 料 电池 气 体 扩 散 层 孔 隙率 分 布 对 燃 料 电池 性 能 有 着 重 要 的 影 响 ． 文 建 立 了 质 本
一
个 单 电池 的 三 维 模 型 ， 别 考 虑 了 扩散 层 孔 隙率 均 匀 统 计 分 布 、 态 统 计 分 布 、 一 统 计 分 布 三 分 单
（） ３
个 单电池的 ３维ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ型 ， 并利用 ｃ语 言产生 了大量
・
（ Ｄ
Ｃ ） Ｓｋ ｋ＋
（） ４
分别 服从均 匀 、 正态 分 布 的 大小在 ０ １之问 的 ～
随机 数． 于 有 限 控 制 体 法 ， 用 Ｆｕｎ 软 件 的 基 采 ｌｅｔ Ｕ Ｆ功能将这些 随机 数分别赋 值 于扩散层 的每一 Ｄ 个 网格 ， 对模 型进行 求解 ， 比较 它们 与 单一 扩散 并 层燃料 电池 的性能 的差别 及原因 ， 为燃料 电池设计
Ｖｏ１３ ＮＯ． ．４ ３
Ｊｎ ０ ０ ｕ ｅ２ １
扩散 层 孔 隙率 随机分 布 对燃 料 电池性 能 的影 响 ＊
张 宁” 肖金 生 詹志 刚 潘 牧。
４ ０７ ） ３ ０ ０ （ 成都 理 工 大 学 工 程技 术学 院” 乐 山 ６ ４ ０ ） （ 汉 理 工 大 学 材 料 复 合 新 技 术 国 家 重点 实验 室 。 武 汉 １０ ０ 武 ’
种 情 况 ， 用 有 限控 制 体 法 对模 型进 行 了求 解 ． 果表 明 ， 隙 率 单 一 统 计 分 布 扩 散 层 的 传 质 性 能 并 结 孔 最 好 ， ＭＥ 的温 度 分 布 最 均 匀 ， 且 Ａ 凶此 电池 性 能 最好 ．
关 键 词 ： 子 交 换 膜 ； 料 电池 ； 散 层 ； 隙率 ；随 机分 布 ；模 拟 质 燃 扩 孔
中 图法 分 类 号 ： ＴＭ９ １ ＤＯＩ １ ． ９ ３ ｊｉｓ ． ０ ６ ２ ２ ． Ｏ ０ ０ ． ４ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ — ８ ３ ２ １ ． ３ ０ ３
质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 （ ｒｔｎｅ ｃａ ｇ ｒ ｐｏｏ ｘｈ ｎ ｅｍｅ ｅ ｂａ ｅ ｕ ｌ ｅ ， Ｅ Ｃ 气 体 扩 散 层 （ ａ ｄｆ ｓ ｎ ｒｎ ｅ ｃｌ Ｐ ＭＦ ） ｆ ｌ ｇｓ ｉｕｉ ｆ ｏ
收 稿 日期 ：０ ＯＯ 一２ ２ １ －ｌ２
张
宁 （ ９ ０ ： ， 士 ， 要 研 究 领域 为燃 料 电 池 的计 算 机 模 拟 及 仿 真 １ ８ 一） 男 硕 主
高等 学 校 博士 学 科 点 专 项 科研 基 金 项 目资 助 （ 准 号 ：０ ５ ４７ １ ） 批 ２ ００ ９０ ４
一 ￡
・
＋
．（ｐ ｕ ｓ ％ ＠）一
利于液态水 的排 出． 而实 际上 ， 然 由于受 材料构 成 及制作工艺 的影 响 ， 散层 孔 隙分布 是 杂乱 无章 ， 扩 毫无规律的 ， 更接 近 于正态统 计 分布． 本文 建立 了
一
（ ＶＯ）＋ Ｓ 尼 Ｑ
＋ ・（ ）一
第 ３ ４卷 第 ３期 ２１ ０ ０年 ６月
武汉 理工 大学学 报 （ 通科学 与工程 版 ） 交
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｗ ｕ ａ ｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｒ ａ ｏ ｈ ｎ Ｕ ｉ ｅ ｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
ｆ ａ ｓ ｏ ｔｔ ｎ Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｅｎ ｉｅ ｒ ｇ ｎ ｐ ｒａ ｉ ｃｅ ｃ Ｔｒ ｏ ｇｎ ｅｉ ） ｎ
第 ３期
张 宁 ， ： 散 层 孔 隙率 随机 分 布对 燃 料 电 池 性 能 的 影 响 等 扩
・６１ ・ Ｏ
热 容 、 隙率 、 分 有 效 扩 散 系 数 、 度 、 分 浓 孔 组 粘 组 度； 叩为过 电位 ； 为 参 考交 换 电 流密 度 ； Ｃ Ｃ， 分别 为 组 分 的当地 摩尔 浓度 、 分 的参 考 摩尔 组
ｓ
ｓ
（ ）ｅ ｃ
Ｃｏ
ｚ
㈣
ｅ ） （） 一 赢ｃ ７
］（ ｒｅ ｃ缸
式 中 ： ， ｐ分别 为 速 度矢 量 、 Ｍ ＠， 温度 、 强 ； ， ， 压 Ｉ忌 Ｄ ｃ ，， ， Ｃ ￡ Ｄ ， 分 别 为密 度 、 效 导 热 系 数 、 有 比压
与制造提供 了参考．
Ｐ ＭＦ Ｅ Ｃ模 型所遵 守 的方 程 主要 包 括质 量 守 恒方 程 、 量守 恒 方程 、 量 守恒 方 程 、 分 守恒 动 能 组 方程 、 多孔 介质 中的扩 散 方 程 和 阴 阳极 的 电化 学
方程 ．
＋ ・（ｐ ｅ ｕ）一 ｓ （） １
孔 隙率影响氧气传输导致极 限电流 密度 的变化 ， 即
孔 隙率对浓 差极化 的影 响 ， 模 型也 为一 维模 型． 但
＋
・（ “） 一
一 ｅ Ｐ＋
・（
“ ＋ Ｓ ）
（） ２
文献 ［］ ４ 研究 了扩散层孔 隙率梯 度分布对 液态水传
输 的影 响 ， 为 扩 散 层 孔 隙 率 越 大 、 度 越 大 ， 有 认 梯 越