气体扩散层分层设计对PEMFC电堆性能影响研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.09.020

摘要/Abstract

摘要：

为了改善电堆不同电池单元之间的温度、反应物等的均匀性从而改善电堆性能和提升寿命，本文提出了一种在电堆不同电池单元气体扩散层设置不同的梯度孔隙率的改进方案。通过建立包含5层单电池的三维、非等温、单相的短电堆模型进行分析，研究发现孔隙率为0.4-0.5-0.6-0.5-0.4的方案可以最大程度改善边缘层和中间层单电池之间温度、氧气浓度、水浓度、膜电流密度等的差值，即提高电堆内部均匀性，且在缺气工况条件下亦是如此。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 燃料电池电堆, 数值模拟, 气体扩散层, 分层设计

Abstract:

In order to improve the uniformity of temperature and reactants between different cells in the stack， thus improving the stack performance and extending the stack life， an improved scheme of setting different gradient porosity in gas diffusion layers of different cell units in the stack is proposed in this paper. A three-dimensional， non-isothermal， single-phase short stack model with five layers of cell units is established for analysis. It is found that the scheme with porosity of 0.4-0.5-0.6-0.5-0.4 can minimize the difference of temperature， oxygen， water molar concentration， membrane current density between the edge layer and the intermediate layer cell unit； thereby improve the internal uniformity of the stack， which is also the same trend under the operating conditions of gas shortage.

Key words: proton exchange membrane fuel cell, fuel cell stack, numerical simulation, gas diffusion layer, layered design

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图/表 12

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参考文献 11

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几何参数	数值
BP长度/宽度/m	0.24/0.1
进气歧管宽度/长度/m	9×10^-2/1×10^-1
BP/端板厚度/m	1×10^-3/1×10^-2
CL/GDL厚度/m	4×10^-4/1×10^-5
质子交换膜厚度/m	3×10^-5
GDL孔隙率	0.4/0.5/0.6
CL孔隙率	0.4
单电池数量	5

参数	数值
GDL/CL 渗透率/m²	5×10^-12
GDL/CL 电导率/（S·m^-1）	5 000/4 000
阴极/阳极化学计量数	3/0.5
BP热导率/（W·（m·K）^-1）	22.5
GDL/CL热导率/（W·（m·K）^-1）	3/1
开路电压/V	0.95
运行温度/K	343.15
参考压力/Pa	101 325
阴极/阳极传递系数	1/0.5
阴极/阳极参考电流密度 /（A·m^-2）	1×10^-3/100
阴极/阳极参考浓度 /（mol·m^-3）	56.4/3.39
阴极/阳极进气湿度/%	85/100
H₂参考扩散系数/（m²·s^-1）	9.15×10^-5
O₂参考扩散系数/（m²·s^-1）	3.23×10^-5
H₂O参考扩散系数/（m²·s^-1）	7.35×10^-5

网格数量	电流密度/（A·m^-2）	相对误差/%
596 371	15 574
756 687	15 475	6.36
824 542	15 438	0.24
917 002	15 397	0.27
1 101 922	15 382	0.10

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