PEM 燃料電池的建模分析

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聚合物電解質膜或質子交換膜（proton exchange membrane，簡稱 PEM）燃料電池是一種極具應用潛力的攜帶型清潔電源，是交通運輸和發電行業的研究熱點。COMSOL Multiphysics，這款強大的模擬工具，可以幫助理解和克服 PEM 電池燃料設計和施工過程中的挑戰。

高溫 PEM 燃料電池的質量傳遞分析

低溫 PEM 燃料電池通常在大約 70~80℃ 的溫度下運行，而高溫 PEM 燃料電池的運行溫度則在 100℃ 以上。由於電池中會發生電化學反應，因而會在負極側會生成水。同時，如果氫氣流中含有水，水也可能在正極側聚集。當燃料電池中帶有水時，電池反應的速率將會變低，最終降低整個系統的效率。

為了避免這種情況，工程師可以藉助 COMSOL Multiphysics 的電池與燃料電池模塊對設計進行分析。他們可以詳盡分析電極厚度、孔隙率、催化劑活性和氣孔電解液含量等參數對電池性能的影響。

如果您想深入了解高溫 PEM 燃料電池中水和反應物的傳遞，以及電流密度分布情況，高溫質子交換膜燃料電池質量傳輸分析模型是非常好的學習資料。本案例著重研究了陽極和陰極區域內氣體擴散層（gas diffusion layer，簡稱 GDL）、流道和多孔催化層中的質量和動量傳遞現象。這些現象與催化層以及 GDL 和膜自身的電化學反應相耦合。

高溫 PEM 燃料電池的幾何結構。

被動式 PEM 燃料電池中的歐姆損耗和溫度分布

被動式燃料電池空氣側的設計目標是確保電池中的電流密度和溫度均勻地分布，這會受到環境溫度和電流負荷的制約。通常，陰極集流體上的孔應足夠大，才能將反應物傳遞給電極。

不過，固體材料的孔隙率不能太大，因為過大的孔隙率會導致穿過氣體擴散層到活性層（氣體擴散電極）的集電片的結構剛度和電導率將被削弱。如果氣道孔做的太大，從集電片到活性層部件的電流傳導的路徑正好在孔中心下面，將變得太大，並且電流將集中到靠近與集流體接觸的區域。

這些區域的電流密度將會增大，進而導致電阻、濃度和活化過電位增加。這種情況對於直通道電池和蛇形通道電池來說同樣存在，所以需要對這些通道的寬度進行優化。

被動式質子交換膜燃料電池中的歐姆損耗和溫度分布案例模型清晰地顯示了被動式 PEM 燃料電池的電流密度和溫度分布。

負極平均溫度隨平均電流密度的變化情況。

PEM 燃料電池氣體擴散層中的物質傳遞

部分情況下，蛇形流道的電池和採用了叉指流場設計的電池，在不同的工作壓力下可能會有兩個相鄰的流道。藉助 COMSOL 軟體，工程師可以針對這一場景深入地研究 PEM 燃料電池的 GDL 內的質量傳輸。

質子交換膜燃料電池的氣體擴散層中的物質傳遞模型描述了，如何通過結合電化學電流源和氣相質量傳遞流體流動，來模擬會對 PEM 燃料電池的電流-電壓特性產生影響的所有物理現象。

陽極（氫氣側）和陰極（空氣側）多孔電極內的氣流速度流線和壓力場。

蛇形流場燃料電池

燃料電池的流動模式會影響到電池內的電流分布、壓降和燃料利用率。典型的設計方法是利用蛇形通道在電極表面平均分配反應流體。蛇形設計的優勢在於，它為小入口管創建了相同長度的並行通道，並且這些通道具有相似的流動阻力。然而這一設計同時也存在著缺陷，因為可能會產生不必要的高壓降。

蛇形流場燃料電池模型是一個很好的案例，向我們展示了如何使用 COMSOL 軟體來保證蛇形設計的功能正常。該案例描述了三個蛇形通道內的陰極氣流和質量傳遞，以及聚合物電解質膜燃料電池下方放射層中相應的電流密度。

陰極電流密度示意圖。

案例下載

• 高溫質子交換膜燃料電池的質量傳遞分析
• 被動式質子交換膜燃料電池中的歐姆損耗和溫度分布
• 質子交換膜燃料電池的氣體擴散層中的物質傳遞
• 蛇形流場燃料電池

經授權轉載自http://cn.comsol.com/blogs/，原作者 Mark Fowler。

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