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燃料電池的性能和耐久性有著重要影響。可視化實驗方法是研究電池內(nèi)部水、氣流動以及液態(tài)水分布狀態(tài)非常重要的一種方法，可以直接觀測液態(tài)水和/或霧汽在流道內(nèi)的生成及移動，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，從而達到提高電池性能及耐久性的目的。本文利用高速攝像機，觀測了若干種流道結構和碳紙結構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)水會在脊岸邊緣和流道內(nèi)兩個地方生成、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，所以脊岸下電化學反應生成的水也多余流道下部，而流道內(nèi)水的蒸發(fā)量遠遠大于脊岸內(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力和氣體推動力的作用，水珠會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°，水滴會形成球體

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

4、成液膜，液態(tài)水排出困難，因而使氣體擴散受阻；疏水碳紙電池在運行時在碳紙表面形成液珠，液態(tài)水排出相對容易，因而能保持氣體擴散。碳紙上打上適當孔徑的通孔，有利于催化層及擴散層中液態(tài)水的及時排除，保持反應氣體的擴散，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行條件下，在流道橫置時，梯形截面流道(流道截面與碳紙接觸邊的邊長大于其對邊，也即實際的模壓金屬板的流道形狀)不利于液態(tài)