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質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板導(dǎo)流場不同區(qū)域極化研究
摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板導(dǎo)流場的不同區(qū)域極化研究可以診斷導(dǎo)流場工程設(shè)計的合理性。本文針對一種氫氣、空氣型燃料電池雙極板導(dǎo)流場的設(shè)計，對導(dǎo)流場的四個相等部分進(jìn)行了四個不同區(qū)域的燃料電池極化研究，進(jìn)而可以判斷整個導(dǎo)流場在各種燃料電池運(yùn)行條件下對燃料電池性能的影響以及導(dǎo)流場設(shè)計的合理性。
Abstract:
The study of different area polarization of Bi-polar plate flow field PEM fuel cell could be a very good diagnosing tool to verify the engineering design of flow field of bi-polar plate.This paper describes one engineering design of one bi-polar plate flow field, and the study of four parts evenly divided areas polarization study on this bi-polar plate flow field.The studies show that the flow field does effect the fuel cell performance at different operation condition.
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池，流場，電壓分布
keyword: proton exchange membrane fuel cell, flow field, voltage distribution
1.前言
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)是目前世界上最成熟的一種能將氫氣與空氣中的氧氣合成潔凈水并釋放出電能的技術(shù)。
燃料電池的應(yīng)用十分廣泛：一是用作移動電源、備用電源等；二是用作汽車、船舶等交通工具動力，以滿足環(huán)保對車船排放的要求并解決對石油燃料依賴過重的問題。三是可用作分散型電站[1].燃料電池電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可用作分散型電站，獨(dú)立供電。燃料電池應(yīng)用前景廣闊，市場潛力巨大，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、環(huán)保保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。
燃料電池中雙極板氫導(dǎo)流場與空氣導(dǎo)流場的工程設(shè)計不但會影響電池的發(fā)電性能，而且會影響燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性及壽命[2].理想的燃料電池雙極板氫導(dǎo)流場工程設(shè)計應(yīng)該使整個導(dǎo)流場中的燃料氫與空氣中氧向電極傳質(zhì)均勻，并可以通過雙極板內(nèi)置的冷卻流體循環(huán)將電極反應(yīng)的生成熱及時帶出，而且又可以將電極反應(yīng)生成的產(chǎn)物水及時帶出，使電極電化學(xué)反映處于良好的水、熱管理平衡狀態(tài)，從而燃料電池運(yùn)行性能及穩(wěn)定性、壽命都有保證。
本文針對一種氫氣、空氣型燃料電池雙極板導(dǎo)流場的設(shè)計，提供了一種可以研究、診斷導(dǎo)流場工程設(shè)計合理性的方法。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1氫、空型質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板工程設(shè)計
在石墨板上銑出如圖1、2所示的氫氣與空氣流場，然后把石墨板按虛線處平均分成四等份，中間用不導(dǎo)電的環(huán)氧膠粘接，使石墨板的四個部分相互絕緣。并且環(huán)氧膠的厚度要與石墨板的厚度相同。
2.2膜電極三合一的制備
制作電極使用的碳紙是日本的Toray-090碳紙，所用的催化劑是20%Pt/C英國Johnson-Matthey產(chǎn)品，Pt用量大約為0.4mg/cm2,質(zhì)子交換膜采用美國DuPont公司出售的Nafion系列112膜，Nafion膜經(jīng)預(yù)處理后除去表面的有機(jī)物和金屬離子。
電極中的Pt催化劑與Nafion溶液配成混合溶液，然后涂在碳紙上，在100℃的條件下烘干半小時。將兩張涂有催化劑的碳紙與Nafion膜熱壓在一起，熱壓條件是130℃，壓力10Mpa,2分鐘。壓制后的大電極也均勻分割成4個部分，中間用硅橡膠相連接密封。每一塊電極的有效面積為60cm2,如圖3所示。
2.3評價裝置的流程
流程如圖4所示。氫氣、空氣經(jīng)減壓閥后再經(jīng)過流量計到達(dá)增濕器，然后再進(jìn)入燃料電池，運(yùn)行壓力：氫氣0.1atm;空氣0.1atm（相對壓力），電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水隨著尾氣排出電池，尾氣進(jìn)入氣液分離罐后排空。增濕器的溫度由溫度自動控制器來控制，電池的溫度通過循環(huán)水來控制。
一個平面上的四塊相等的單電池通過串聯(lián)的方法與負(fù)載相連接，每一塊電池的有效面積是65cm2,負(fù)載為自制的電阻負(fù)載。電池的增濕露點(diǎn)溫度為50℃，氫氣的計量比為1.2,通過改變空氣的計量比，電池的運(yùn)行溫度來考察陰極流場對電極性能的影響。氫氣進(jìn)口區(qū)域的電池為第一塊電池，空氣進(jìn)口區(qū)域的電池為第二塊電池，氫氣出口附近的電池為第三塊電池，空氣出口附近的電池為第四塊電池。
1:氫氣進(jìn)口；1':氫氣出口
2:空氣進(jìn)口；2':空氣出口
3:冷卻水進(jìn)口；3':冷卻水出口
A.第一塊電池區(qū)域，B.第二塊電池區(qū)域，C.第三塊電池區(qū)域，D.第四塊電池區(qū)域
3.結(jié)果與討論
3.1溫度對不同區(qū)域電池性能的影響
首先固定空氣的計量比為2.5,氫氣計量比為1.2,運(yùn)行壓力、氫氣、空氣都為0.1atm（相對壓力），考察了50℃、55℃、60℃條件下的不同電池的伏安特性曲線。圖5-圖7為不同電池的電壓、電流曲線。溫度對第一塊電池的伏安曲線沒有影響，不論是在小電流還是在大電流，三種溫度的曲線吻合的非常好。第二塊電池的50℃、55℃伏安曲線非常吻合，當(dāng)溫度達(dá)到60℃時第二塊電池的性能低于50℃、55℃的性能。第三塊電池在50℃，20A時的電壓為0.687V,隨著溫度的升高，伏安曲線的尾部逐漸抬高，性能變好，在60℃，20A時電壓升高為0.717V.第四塊電池受溫度的影響最嚴(yán)重，在55℃，24.5A時電壓已經(jīng)降低到0.6V,當(dāng)溫度升高到60℃電壓恢復(fù)到0.696V.
圖8-圖10為不同溫度下四塊電池的性能比較。在50℃與55℃，電池的性能是按下面的順序排列的：第二塊電池>第一塊電池>第三塊電池>第四塊電池。在60℃條件下，電池的性能排序?yàn)椋旱谒膲K電池>第三塊電池>第二塊電池，第一塊電池。
燃料電池的流場對不同區(qū)域的電池性能是有很大影響的。在空氣進(jìn)口處由于氧氣濃度含量最高，氣體流速最快，氣體中的水含量最少，容易把進(jìn)口處通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水帶走，在低溫時這有利于電池具有好的性能，但是隨著溫度的升高容易使進(jìn)口處電池中質(zhì)子交換膜的含水量減少，使膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力下降，在相同電流下電池的電壓降低。所以第二塊電池在50℃、55℃下的性能基本相同，在60℃時的性能下降。同樣的道理，氫氣進(jìn)口處的電池性能在低溫時也具有好的性能，但是氫氣的流量遠(yuǎn)小于空氣的流量，所以在60℃時，質(zhì)子交換膜還沒有處于失水的狀態(tài)，在50℃-60℃溫度范圍內(nèi)第一塊電池的性能沒有大的變化，三種溫度的曲線吻合的非常好。由于電化學(xué)產(chǎn)生的水大部分隨著空氣的流動被帶到空氣出口處，并且出口處的氧氣濃度最低，所以在低溫時會使氧氣向催化劑的擴(kuò)散困難，造成電池的性能下降。第四塊電池受溫度的影響最嚴(yán)重就是由此產(chǎn)生的。隨著溫度的升高，在空氣出口處的液態(tài)水的含量減少，氧氣向催化劑擴(kuò)散又變得容易，而且膜是處于潤濕狀態(tài)，所以電池的性能提高。由反應(yīng)產(chǎn)生的水會通過膜向氫側(cè)反滲透，所以在氫側(cè)出口附近的液態(tài)水也比進(jìn)口處的水多，這也造成了第三塊電池的性能受溫度影響。
3.2空氣計量比對不同區(qū)域電池性能的影響
空氣計量比對電池的性能有很大的影響，圖11-圖14為55℃，不同電池在空氣計量比為2.0-3.0范圍內(nèi)的伏安特性曲線。第一塊電池在三種計量比下性能基本沒有變化。第二塊電池在計量比為2.5時的性能最好，然后隨著計量比的增加電池性能下降。第三塊、第四塊電池的性能都隨計量比的增加而增加，但是第四塊電池受計量比的影響更大。圖15-圖18為不同電池在相同計量比下的性能比較。在2.0、2.5計量比條件下電池的性能是第二塊電池>第一塊電池>第三塊電池>第四塊電池，但是在3.0計量比條件下電池的性能是第四塊電池>第三塊電池>第二塊電池>第一塊電池。
空氣計量比的增加有利于帶走電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水。在空氣進(jìn)口處，電池產(chǎn)生的水很容易被過量空氣帶走，隨著空氣向空氣出口處流動，其所夾帶的水越來越多，就需要更多的過量空氣來帶走反應(yīng)產(chǎn)生的水，這樣當(dāng)空氣計量比小的時候，空氣進(jìn)口處的電池不易受到影響，容易把進(jìn)口處通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水帶走。在空氣進(jìn)口處的電池也就是第二塊電池在2.0、2.5計量比時電池性能基本沒有變化，在3.0計量比時由于空氣流量太大，使質(zhì)子交換膜變干，所以電池性能出現(xiàn)下降。空氣先通過第二塊電池，然后就通過第一塊電池，空氣在這里的含水量會增加，但是該電池是氫氣首先流過的電池，所以一部分產(chǎn)生的水會通過反滲透由氫氣帶走，這樣計量比對該電池的影響很小，在三種計量比件下，電池的性能基本相同。反應(yīng)產(chǎn)生的水主要在第三、四塊電池積累，所以計量比對這兩塊電池的影響最大，隨著計量比的增加，積累在第三、四塊電池的水會被帶走，電池的性能提高。
4.結(jié)論
通過把一塊大電池分成四塊小電池，對一種常見的燃料電池流場進(jìn)行了研究。在低溫、空氣小計量比條件下，在氣體出口處的電池容易由于液態(tài)水過多造成電池的性能下降，但是隨著溫度和空氣計量比的提高，電池的性能得到恢復(fù)。通過該種方法可以容易的對燃料電池流場設(shè)計的合理性進(jìn)行判斷。
5.致謝
本研究內(nèi)容得到國家“863”電動汽車重大專項支持。
6.參考文獻(xiàn)
[1] SRINIVASAN S. Fuel Cell for extraterrestrial and terrestrial [J]. J Electrochemistry Soc,1989,136:41C.
[2]衣寶廉，燃料電池--原理技術(shù)應(yīng)用，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.7,
【質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板導(dǎo)流場不同區(qū)域極化研究】相關(guān)文章：
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