反应气体对PEMFC及其运行效率的影响.pdf

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1、18化工机械2013年反应气体对PEMFC及其运行效率的影响江萍+(兰州石化职业技术学院)摘要根据最新资料文献，针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统在运行中的效率问题，翻译和评述了PEMFC的基本工作原理和结构及反应气体对其运行效率影响的机理和解决方法。关键词PEMFC运行效率反应气体匮乏反极现象反馈体系调控器自动化管理中图分类号TQ035文献标识码A文章编号0254-6094(2013)01·0018m5燃料电池中反应气体匮乏，会导致阴、阳极电化学反应紊乱，产生燃料电池的“反极现象”，加速了膜电极装置中催化剂的损失和支

2、持物的腐蚀老化。最好的解决办法是：开发燃料电池混合系统，建立模型和瞬时动负载期间避免氧气匮乏的不同正负反馈调控机制，评估氧气过剩系数，达到燃料电池气体流动的自动化管理，使PEMFC得以高效率运行。1PEMFC工作原理和结构质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMem—braneFuelCells，PEMFC)因其能量转化效率高、运行温度低、环境友好、安静以及可靠性高等优点¨“1，作为一种洁净能源具有巨大潜力，越来越受到人们的重视。PEMFC电堆技术的研究和开发促使其取得广泛的生产应用。燃料电池以全氟磺酸性固体聚合物为电

3、解质，Pt／C或PtRu／C为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板，负载时单体输出电压取决于输出电流密度。将多个PEMFC单电池以串联方式层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的PEMFC电堆怕1，如图l所示。PEMFC电堆的核心是MEA组件和双极板(阴、阳极板)。MEA(膜电极装置)是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极(扩散层合催化剂层)分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制

4、作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良以及与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2．0—3．7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。图l单池PEMFC的基本结构和化学反应PEMFc的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。PEMFC发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统及控制系统等构成㈨(图2)。电堆是PEMFC发电系统的+江萍，女，1958年“月生，副教授。甘肃省兰州市，730060。第40卷。第l期化工机械1

5、9核心，PEMFC发电系统运行时，反应气体H：和O：分别通过调压阀或流量控制泵、加湿器(加湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。空入图2PEMFC的主要控制系统电堆工作时，H：和O：反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)H：和O：流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。2反应气体的匮乏对PEMFC运行效率的影响燃料(H：)或氧化剂(O：)匮乏在亚化学计量的反应条件下实际上是一种很复杂的现象，是造成燃料电池故障的潜在因素之

6、一。如果燃料匮乏，燃料电池会由于大量缺氢而难以维持正常产生电流的过程，导致阳极电位升高，致使水氧化分解，使得阳极的氧气和质子逸出旧“1。阳极化学反应为：2H20-+02+4H++4e一(1)阴极化学反应为：02+4H++4e一_+2H20(2)虽然在阴极的化学反应仍然进行，但不同的是氢质子和电子来自于阳极水的氧化分解而非氢的正常供给，用气相色谱分析表明：阳极的氧就是由水的氧化分解产生的¨1。另一方面，如果氧气匮乏，电堆产生电流的反应也不能正常进行，在阴极的反应就由反应(2)演变成为没有氧气参与的反应‘6圳：4H++4e一-+2H

7、2(3)由反应(1)和(3)可以看出：如果反应气体匮乏，在阳极有氧生成，在阴极有氢生成，因而，燃料电池的阴阳极之间就形成一个负电位差∞’⋯，即所谓的燃料电池的“反极现象”，加速了膜电极装置中催化剂的损失和支持物的腐蚀老化旧’7’”川。反应气体匮乏是由多种原因造成的，诸如水资源管理不当，气体进口控制不严，电堆和电池设计不合理，电堆装配不恰当等∞J。解决这个问题的办法是：调控燃料电池氢和氧的流速，避免电池最大动作电流时所出现的反应气体匮乏现象¨“。然而，这种解决方案效果甚微，这是因为在调控反应气体流速的过程中，单就气泵设备就要消耗燃

8、料电池所产生的30％能量¨”，意味着额外增加了反应气体的消耗，进一步加大了燃料电池的运行成本。3反应气体流量控制对PEMFC运行效率的影响'很显然，PEMFC输出特性受限于机械装置：在阴极，要用空气流量控制泵维持空气有效流速，启动加湿器调节空气湿度；在阳极，通过