质子交换膜燃料电池双极板导流场不同区域极化研究

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1、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:ThestudyofdifferentareapolarizationofBi-polarplatefloanceatdifferentoperationcondition.关键词：质子交换膜燃料电池，流场，电压分布ke

2、yembranefuelcell,flog/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

3、，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

4、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℃、

5、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

6、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

7、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