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抗水淹电极质子交换膜燃料电池数值分析摘要：针对新型抗水淹电极(AFE)质子交换膜燃料电池(PEMFC)通过均相模型描述催化层结构建立了阴阳极板、流道、扩散层、催化层和质子交换膜的完整PEMFC模型。提出了描述新型抗水淹电极质子交换膜燃料电池的数学模型用液态水饱和度分布和抗水淹电极内二甲基硅油含量来修正反应气体有效扩散系数和电化学反应速率方程模拟液态水堵塞传质通道和淹没电极有效面积的影响。试验和模拟计算都反映出抗水淹电极提高了高电流密度输出时的电池性能应用仿真模型预测了催化层内DMS含量对电池性能的影响。关键词：质子交换膜燃料电池；数值模拟；两相流；水传递中图分类号：U473.4文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.06.03质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCellPEMFC）可以看作是一个正极不断生成水的发电装置。如果正极生成的水不能有效排出就会造成正极水淹。一方面造成催化层氧气供应不足此时原本在高电位下进行的氧气得电子产生还原反应就会被低电位下进行的H+得电子还原反应取代电池端电压由正转负形成所谓“负差效应”；另一方面催化层活性区域减小导致催化剂利用率降低。目前大部分工作放在系统设计和工程方面这些策略常不可避免地会带来严重的寄生功率损耗。对小功率便携式PEMFC而言由于所容许的空间和能量有限不可能采用主动型排水装置。对于大功率的燃料电池系统虽然允许采用增加气体流速强制排除水分措施[1-5]但是这些方法只能排除双极板流场中的水分无法有效解决夹藏在多孔电极孔隙中的水而PEMFC生成的第1滴水恰恰在气体多孔电极的催化层中。多孔电极内液态水量过多液态水会淹没电极减少电极有效面积同时堵塞传质通道严重阻碍氧气传输使阴极氧气供应不足浓差极化增大从而导致电池性能大幅度下降[6-9]。正极水淹造成催化层氧气供应不足的核心问题是：非极性的O2分子在极性水分子中的溶解度太低在PEMFC工作温度（60～80?℃）下由于水的蒸汽压增大O2分压减小O2在水中的溶解度还会进一步减小。我们基于“相似相溶原理”在电极微孔中预先加入对O2有很高溶解度的非极性硅油（DMS）代替孔隙作为气体不可侵占的传输通道确保氧气的供应不会因为水的堵塞而中断而未被硅油占据的孔隙则作为反应生成水的固定排除通道从而实现了气体传输与水排出通道的有序分离[10]。图1为传统气体电极（ConventionalGasPt/CElectrodeCGE）和抗水淹电极（Anti-FloodingPt/CElectrodeAFE）示意图图2展示了CGE催化层内氧气的通道为空气和液态水AFE催化层内氧气的通道为空气、DMS和液态水。AFE的优势主要体现在以下几方面：（1）氧气在DMS内的溶解度是水中的10倍DMS提供了输送氧气的专用通道。（2）DMS主要填充在孔径在20?～70?nm之间的孔隙中因而解决了最难克服的水淹问题该尺度内的传质是传统的对流的方法难以解决的。（3）气体多孔电极催化层微孔而非双极板流场的水淹问题才是影响燃料电池性能的首要问题而AFE直接解决了发生在多孔电极内的水淹问题。本文在文献[11]和[12]模型基础上针对抗水淹电极内DMS在多孔电极内的作用发展一个三维两相流的数学模型用于研究抗水淹电极单电池然后讨论多孔电极内液态水饱和度分布和电流密度分析抗水淹电极内DMS对燃料电池输出特性的影响。1几何模型与数学方程图3中试验与数值计算都是基于图3（a）所示的蛇形流道。图3（b）的单电池由阳极极板、阳极流道、阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层、阴极流道和阴极极板依次组合而成图3（c）为单电池的计算域电极活性面积为20?mm×21?mm。三维数值计算域是根据流场板的流道外形来建立流道的实体几何域作为流场计算的流体域。由于流场板为固体导电区域只有电传导和热传导的计算不涉及多组分的流体传输和各种源项的计算因此流场板的网格尺寸相对大些而催化层是电化学反应发生的区域涉及多种源项的计算和多组分流体的传输所以对催化层网格进行了局部加密。本文的数值模拟工作基于一个稳态、多组分、非等温和三维的两相流传递模型模型考虑水的相变模型简化了液态水的生成和传输过程将液态水饱和度分布描述为水蒸汽过饱和度的简单函数这样就可以通过气体扩散传质方程得到的水蒸汽分压力直接计算出液态水饱和度分布。液态水饱和度分布的结果将被用来修正反应气体扩散系数和电化学反应速率方程这样模型就能够模拟液态水生成堵塞传质通道和淹没电极有效面积的影响。流场边界条件：阴阳极入口设为