质子交换膜燃料电池双极板导流场不同区域极化研究

质子交换膜燃料电池双极板导流场不同区域极化研究

　　摘要：
　　
　　质子交换膜燃料电池双极板导流场的不同区域极化研究可以诊断导流场工程设计的合理性。本文针对一种氢气、空气型燃料电池双极板导流场的设计，对导流场的四个相等部分进行了四个不同区域的燃料电池极化研究，进而可以判断整个导流场在各种燃料电池运行条件下对燃料电池性能的影响以及导流场设计的合理性。
　　
　　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.
　　
　　关键词：质子交换膜燃料电池，流场，电压分布
　　
　　keyword: proton exchange membrane fuel cell, flow field, voltage distribution
　　
　　1.前言
　　
　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气合成洁净水并释放出电能的技术。
　　
　　燃料电池的应用十分广泛：一是用作移动电源、备用电源等；二是用作汽车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车船排放的要求并解决对石油燃料依赖过重的问题。三是可用作分散型电站[1].燃料电池电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可用作分散型电站，独立供电。燃料电池应用前景广阔，市场潜力巨大，对产业结构升级、环保保护及经济的可持续发展均有重要意义。
　　
　　燃料电池中双极板氢导流场与空气导流场的工程设计不但会影响电池的发电性能，而且会影响燃料电池运行的稳定可靠性及寿命[2].理想的燃料电池双极板氢导流场工程设计应该使整个导流场中的燃料氢与空气中氧向电极传质均匀，并可以通过双极板内置的冷却流体循环将电极反应的生成热及时带出，而且又可以将电极反应生成的产物水及时带出，使电极电化学反映处于良好的水、热管理平衡状态，从而燃料电池运行性能及稳定性、寿命都有保证。
　　
　　本文针对一种氢气、空气型燃料电池双极板导流场的设计，提供了一种可以研究、诊断导流场工程设计合理性的方法。
　　
　　2 实验
　　
　　2.1氢、空型质子交换膜燃料电池双极板工程设计
　　
　　在石墨板上铣出如图1、2所示的氢气与空气流场，然后把石墨板按虚线处平均分成四等份，中间用不导电的环氧胶粘接，使石墨板的四个部分相互绝缘。并且环氧胶的厚度要与石墨板的厚度相同。
　　
　　2.2膜电极三合一的制备
　　
　　制作电极使用的碳纸是日本的Toray-090碳纸，所用的催化剂是20%Pt/C英国Johnson-Matthey产品，Pt用量大约为0.4mg/cm2,质子交换膜采用美国DuPont公司出售的Nafion系列112膜，Nafion膜经预处理后除去表面的有机物和金属离子。
　　
　　电极中的Pt催化剂与Nafion溶液配成混合溶液，然后涂在碳纸上，在100℃的条件下烘干半小时。将两张涂有催化剂的碳纸与Nafion膜热压在一起，热压条件是130℃，压力10Mpa,2分钟。压制后的大电极也均匀分割成4个部分，中间用硅橡胶相连接密封。每一块电极的有效面积为60cm2,如图3所示。
　　
　　2.3评价装置的流程
　　
　　流程如图4所示。氢气、空气经减压阀后再经过流量计到达增湿器，然后再进入燃料电池，运行压力：氢气0.1atm;空气0.1atm（相对压力），电化学反应产物水随着尾气排出电池，尾气进入气液分离罐后排空。增湿器的温度由温度自动控制器来控制，电池的温度通过循环水来控制。
　　
　　一个平面上的四块相等的单电池通过串联的方法与负载相连接，每一块电池的有效面积是65cm2,负载为自制的电阻负载。电池的增湿露点温度为50℃，氢气的计量比为1.2,通过改变空气的计量比，电池的运行温度来考察阴极流场对电极性能的影响。氢气进口区域的电池为第一块电池，空气进口区域的电池为第二块电池，氢气出口附近的电池为第三块电池，空气出口附近的电池为第四块电池。
　　
　　1:氢气进口；1':氢气出口
　　
　　2:空气进口；2':空气出口
　　
　　3:冷却水进口；3':冷却水出口
　　
　　A.第一块电池区域，B.第二块电池区域，C.第三块电池区域，D.第四块电池区域
　　
　　3.结果与讨论
　　
　　3.1温度对不同区域电池性能的影响
　　
　　首先固定空气的计量比为2.5,氢气计量比为1.2,运行压力、氢气、空气都为0.1atm（相对压力），考察了50℃、55℃、60℃条件下的不同电池的伏安特性曲线。图5-图7为不同电池的电压、电流曲线。温度对第一块电池的伏安曲线没有影响，不论是在小电流还是在大电流，三种温度的曲线吻合的非常好。第二块电池的50℃、55℃伏安曲线非常吻合，当温度达到60℃时第二块电池的性能低于50℃、55℃的性能。第三块电池在50℃，20A时的电压为0.687V,随着温度的升高，伏安曲线的尾部逐渐抬高，性能变好，在60℃，20A时电压升高为0.717V.第四块电池受温度的影响最严重，在55℃，24.5A时电压已经降低到0.6V,当温度升高到60℃电压恢复到0.696V.
　　
　　图8-图10为不同温度下四块电池的性能比较。在50℃与55℃，电池的性能是按下面的顺序排列的：第二块电池>第一块电池>第三块电池>第四块电池。在60℃条件下，电池的性能排序为：第四块电池>第三块电池>第二块电池，第一块电池。
　　
　　燃料电池的流场对不同区域的电池性能是有很大影响的。在空气进口处由于氧气浓度含量最高，气体流速最快，气体中的水含量最少，容易把进口处通过电化学反应产生的水带走，在低温时这有利于电池具有好的性能，但是随着温度的升高容易使进口处电池中质子交换膜的含水量减少，使膜的质子传导能力下降，在相同电流下电池的电压降低。所以第二块电池在50℃、55℃下的性能基本相同，在60℃时的性能下降。同样的道理，氢气进口处的电池性能在低温时也具有好的性能，但是氢气的流量远小于空气的流量，所以在60℃时，质子交换膜还没有处于失水的状态，在50℃-60℃温度范围内第一块电池的性能没有大的变化，三种温度的曲线吻合的非常好。由于电化学产生的水大部分随着空气的流动被带到空气出口处，并且出口处的氧气浓度最低，所以在低温时会使氧气向催化剂的扩散困难，造成电池的性能下降。第四块电池受温度的影响最严重就是由此产生的。随着温度的升高，在空气出口处的液态水的含量减少，氧气向催化剂扩散又变得容易，而且膜是处于润湿状态，所以电池的性能提高。由反应产生的水会通过膜向氢侧反渗透，所以在氢侧出口附近的液态水也比进口处的水多，这也造成了第三块电池的性能受温度影响。
　　
　　3.2空气计量比对不同区域电池性能的影响
　　
　　空气计量比对电池的性能有很大的影响，图11-图14为55℃，不同电池在空气计量比为2.0-3.0范围内的伏安特性曲线。第一块电池在三种计量比下性能基本没有变化。第二块电池在计量比为2.5时的性能最好，然后随着计量比的增加电池性能下降。第三块、第四块电池的性能都随计量比的增加而增加，但是第四块电池受计量比的影响更大。图15-图18为不同电池在相同计量比下的性能比较。在2.0、2.5计量比条件下电池的性能是第二块电池>第一块电池>第三块电池>第四块电池，但是在3.0计量比条件下电池的性能是第四块电池>第三块电池>第二块电池>第一块电池。
　　
　　空气计量比的增加有利于带走电化学反应产生的水。在空气进口处，电池产生的水很容易被过量空气带走，随着空气向空气出口处流动，其所夹带的水越来越多，就需要更多的过量空气来带走反应产生的水，这样当空气计量比小的时候，空气进口处的电池不易受到影响，容易把进口处通过电化学反应产生的水带走。在空气进口处的电池也就是第二块电池在2.0、2.5计量比时电池性能基本没有变化，在3.0计量比时由于空气流量太大，使质子交换膜变干，所以电池性能出现下降。空气先通过第二块电池，然后就通过第一块电池，空气在这里的含水量会增加，但是该电池是氢气首先流过的电池，所以一部分产生的水会通过反渗透由氢气带走，这样计量比对该电池的影响很小，在三种计量比件下，电池的性能基本相同。反应产生的水主要在第三、四块电池积累，所以计量比对这两块电池的影响最大，随着计量比的增加，积累在第三、四块电池的水会被带走，电池的性能提高。
　　
　　4.结论
　　
　　通过把一块大电池分成四块小电池，对一种常见的燃料电池流场进行了研究。在低温、空气小计量比条件下，在气体出口处的电池容易由于液态水过多造成电池的性能下降，但是随着温度和空气计量比的提高，电池的性能得到恢复。通过该种方法可以容易的对燃料电池流场设计的合理性进行判断。
　　
　　5.致谢
　　
　　本研究内容得到国家“863”电动汽车重大专项支持。
　　
　　6.参考文献
　　
　　[1] SRINIVASAN S. Fuel Cell for extraterrestrial and terrestrial [J]. J Electrochemistry Soc,1989,136:41C.
　　
　　[2]衣宝廉，燃料电池--原理技术应用，北京：化学工业出版社，2003.7,

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