質(zhì)子交換膜燃料電池水氣傳輸研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池中的水氣傳輸對(duì)燃料電池的性能和耐久性有著重要影響?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)方法是研究電池內(nèi)部水、氣流動(dòng)以及液態(tài)水分布狀態(tài)非常重要的一種方法，可以直接觀測(cè)液態(tài)水和/或霧汽在流道內(nèi)的生成及移動(dòng)，有利于了解燃料電池內(nèi)部的傳輸特性，優(yōu)化其水氣管理，從而達(dá)到提高電池性能及耐久性的目的。本文利用高速攝像機(jī)，觀測(cè)了若干種流道結(jié)構(gòu)和碳紙結(jié)構(gòu)的透明燃料電池流道內(nèi)的水氣傳輸，研究其傳輸特性，主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)直流道氣體分布很不均勻

2、，中間區(qū)域的流道內(nèi)氣流量較小。液態(tài)水會(huì)在脊岸邊緣和流道內(nèi)兩個(gè)地方生成、聚集；在較大范圍的電流密度下，由于脊岸內(nèi)的局部電流密度大于流道內(nèi)的局部電流密度，所以脊岸下電化學(xué)反應(yīng)生成的水也多余流道下部，而流道內(nèi)水的蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脊岸內(nèi)液態(tài)水蒸發(fā)量，脊岸邊緣處的水珠生成速率大于GDL上的生成速率。脊岸內(nèi)生成的水珠受到親水脊岸的毛細(xì)力和氣體推動(dòng)力的作用，水珠會(huì)被拉扯成扁平狀或至液膜狀；而流道內(nèi)生成的水滴由于碳紙疏水，接觸角大于90°，水滴會(huì)形成球體

3、。
　　 (2)將電池陽極側(cè)氣體出口堵死(dead-end)，提高了陽極側(cè)氣體壓力，同時(shí)在陽極側(cè)形成水霧，電池性能提高。但經(jīng)過一段時(shí)間后，水汽濃度過分增加，同時(shí)氫氣中的其他雜質(zhì)也會(huì)累積，導(dǎo)致氫氣濃度下降，使得電池性能下降。因此陽極側(cè)使用dead-end方式運(yùn)行電池，配以優(yōu)化的尾氣排放間隔，可以簡(jiǎn)化陽極側(cè)的加濕方式，提高陽極側(cè)的氣體壓力，以提高電池性能，同時(shí)提高氫氣利用率。
　　 (3)親水碳紙電池在運(yùn)行時(shí)容易在碳紙表面形

4、成液膜，液態(tài)水排出困難，因而使氣體擴(kuò)散受阻；疏水碳紙電池在運(yùn)行時(shí)在碳紙表面形成液珠，液態(tài)水排出相對(duì)容易，因而能保持氣體擴(kuò)散。碳紙上打上適當(dāng)孔徑的通孔，有利于催化層及擴(kuò)散層中液態(tài)水的及時(shí)排除，保持反應(yīng)氣體的擴(kuò)散，提高電池性能。碳紙上打孔的孔徑優(yōu)化值在0.3-0.4mm左右。
　　 (4)在相同的流通截面積和相同的運(yùn)行條件下，在流道橫置時(shí)，梯形截面流道(流道截面與碳紙接觸邊的邊長(zhǎng)大于其對(duì)邊，也即實(shí)際的模壓金屬板的流道形狀)不利于液態(tài)