车用质子交换膜燃料电池膜增湿研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要质子交换膜燃料电池(PEMFC)采用的固体电解质，只有在有较高的含水量条件下才具有较高的电导率，才能取得较高的能量密度，但在电池的～般工作条件下水平衡难以达到，必须对电池进行增湿。论文分析了燃料电池增湿的方法与优缺点，阐述了质子交换膜燃料电池膜中和膜表面水的输运过程及燃料电池失水机理，从蒸发理论入手讨论了燃料电池阴阳极要达到水平衡增湿温度与增湿湿度的关系，从模拟和实验两方面讨论了增湿湿度对电池性能的影响，进行了膜增湿实验，为膜增湿器的研制提供了理论依据。在模拟和实验中发现：(1)从气体

2、分子运动论出发，发现质子交换膜失水是因为膜两侧水的蒸发而导致的，其蒸发速度由式(2．17)确定。对燃料电池的阳极，蒸发和从阳极到阴极水的净迁移导致失水，要维持水平衡就必须对电池进行增湿，而且增湿(饱和增湿)温度要高于电池的温度，在本文模型下量化关系由式子(2．29)确定。对于阴极，由于有从阳极到阴极的水的净迁移量和电化学反应生成的水，因此气体要将阴极富余的水带走，就要求增湿气体中水蒸汽分压低于电池工作温度的饱和蒸汽压，在本文模型下量化关系由(2-36)确定。(2)模拟：阳极70℃饱和增湿，随着阴极：噌湿温度的升高

3、，膜阴极侧含水量有所增加但增加量不大，阳极侧膜含水量基本不变。低电流密度时，对电池阴极进行适当增湿有利于提高电池的性能，高电流密度时电池性能随着增湿量的增加而降低。阴极70"C饱和增湿，随着阳极增湿温度的升高，膜阳极侧含水量显著增加，阴极侧膜含水量基本不变是因为阴极趋予饱和。电池性能随着阳极增湿量的增加而显著增加。实验：a阳极增湿对电池性能影响很大，增加阳极湿度能显著提高电池的性能。b提高阴极增湿湿度，电池性能有少许下降，但下降不大，阴极增湿对电池性能影响较小(3)Nafion膜的渗透通量与时间成严格的线性关系；

4、与气体的流速成线性关系；低温下，由于水从膜表面脱附是控制步骤，因此膜厚度对渗透通量几乎没有影响，高温下，水通过膜的渗透是控制步骤，膜越薄渗透通量越大，但流速过低时容易在膜气侧积聚成液态水；渗透通量随着温度的升高而增大，温度超过60"C时渗透通量增长速度加快；渗透通量随着湿度的升高而减少，温度升高，湿度对渗透通量的影响减弱。关键词：质子交换膜燃料电池，湿度，膜增湿，水输运。武汉理工人学硕士学位论文AbstractThepolymerelectrolyteinPEMFCrequiresasupplyofwaterto

5、maintainprotonconductivity．ItisdifficultytomaintainwaterbalancewhennmningPEMFCbecauseofthelackofwater．ThehumidificationisessentialforPEMFC．Thepaperanalyzethewaysofhumidificationandtheircharacteristic，foundamodelofwatervaporizationonthefaceofthemembrane，analyz

6、etherelationshipbetweenthehumidityandhumidificationtemperature，discusstheeffectofhumidityonperformanceofPEMFC，makesomeexperimentsofmembranehumidifying．Someconclusionshadbeenstunmarizedasfollowing：(1)Itisfoundthatvaporizationcausesthelackofwaterinmembraneandth

7、evaporizationvelocityisdeterminedbytheequationof(2—17)．Fortheanode，vaporizationandthepuremigrationfromtheanodetothecathodecausethelossofwater．Sothehumidificationisessential．Moreover，thehumidificationtemperaturemustbehigherthanthetemperatureofthecell，whichCanb

8、eexplainedbytheequationof(2-29)．Forthecathode，theairflowmustcarrytheexcessivewateroutofthecell，whichCanbeexplainedby(2-36)．(2)Model：1kwatercontentofthecathodegetlittleincreasewhenthehumid