H-,2-PEMFC內(nèi)MEA表面溫度分布及DMFC動態(tài)性能研究.pdf

1、燃料電池是一種能通過電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由于具有效率高和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，燃料電池日益受到世界各國政府和企業(yè)的重視。 氫質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池分別以氫和甲醇作為燃料，都是采用固體聚合物作為電解質(zhì)。因具有工作溫度低、啟動快、效率高、零或低排放等優(yōu)點(diǎn)，氫質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池被認(rèn)為在交通動力源、便攜式電源、微型電源等各種應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景，是目前燃料電池研究中的主流

2、。 氫質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池技術(shù)涉及到多學(xué)科，除電化學(xué)、膜科學(xué)和催化化學(xué)外，電池內(nèi)的熱流體問題也非常重要。對電池內(nèi)部熱流體問題的研究有助于深入地了解電池內(nèi)部工作的本質(zhì)和解決工程中實(shí)際存在的問題。就電池的熱流體問題而言，數(shù)值方面的研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前了實(shí)驗(yàn)研究。燃料電池內(nèi)的溫度分布與電池的壽命及可靠性密切相關(guān)，但相關(guān)研究尤其是實(shí)驗(yàn)研究非常缺乏。 本文的一部分工作就是利用紅外熱成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)測量了不同流場下氫質(zhì)子交換

3、膜燃料電池啟動階段膜電極組件表面的溫度分布，了解電池內(nèi)部溫度分布規(guī)律，為氫質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供參考，并為電池內(nèi)部熱流體問題的理論模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該部分的主要工作及成果如下： 1.設(shè)計(jì)了具有不同流道形式的，能用于測量膜電極組件表面溫度分布的氫質(zhì)子交換膜燃料電池。通過該電池和紅外熱像儀測量得到了膜電極組件表面溫度分布，并能保證測試時電池具有較高的電性能。 2.本文綜合電池性能測試系統(tǒng)和紅外測試系統(tǒng)，搭建

4、了可以用來測量膜電極組件表面溫度分布的測試系統(tǒng)。對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試并對實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行了修正。 3.在本文實(shí)驗(yàn)工況下，實(shí)驗(yàn)測量得到了平行流場、交錯流場和蛇形流場下電池啟動階段所有槽道下膜電極組件表面溫度分布。平行流場中，膜電極組件表面最高溫度出現(xiàn)在中間槽道中部。交錯流場中，膜電極組件表面最高溫度出現(xiàn)在兩側(cè)槽道的下部，最低溫度出現(xiàn)在中間槽道的進(jìn)口。蛇形流場中，膜電極組件表面的最高溫度出現(xiàn)在流場的下游，進(jìn)口處溫度最低。文獻(xiàn)中僅僅得到了

5、平行流場中部分槽道對應(yīng)的膜電極組件表面溫度分布。 4.對加載電流后不同流場下膜電極組件表面溫度分布隨加載時間的動態(tài)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在本文的實(shí)驗(yàn)時間范圍內(nèi)，膜電極組件表面溫度及電池溫度都隨著加載時間的延長而增加，膜電極組件表面溫度與電池溫度之間的差在經(jīng)歷開始階段的急劇上升后趨于穩(wěn)定。 5.對不同流場下電池啟動階段加載電流大小對電池啟動階段膜電極組件表面溫度分布的影響開展了研究。研究表明，膜電極組件表面溫度，膜電極組件表

6、面最大溫差以及膜電極組件平均溫度與電池溫度之間的差都隨著加載電流的增加而升高。 6.在不同流場下，系統(tǒng)研究了加載一定電流后預(yù)熱溫度，反應(yīng)物流量等對膜電極組件表面溫度分布的影響。 7.膜電極組件表面溫度分布的不均勻以及膜電極組件表面與陰極極板之間較大的溫度差說明在質(zhì)子交換膜燃料電池中采用等溫假設(shè)與實(shí)際相差較大，也說明現(xiàn)在常用的通過測量極板處溫度來監(jiān)控膜電極組件運(yùn)行溫度并不能保證膜電極組件處于安全的工作溫度之內(nèi)。 目

7、前有關(guān)直接甲醇燃料電池的研究絕大部分集中在穩(wěn)態(tài)性能研究上，動態(tài)性能的研究還很少見。然而實(shí)際應(yīng)用中，直接甲醇燃料電池的負(fù)載及外界環(huán)境是變化的。本文的另一部分工作對直接甲醇燃料電池動態(tài)性能開展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。該部分主要工作和成果如下： 1.建立了瞬間加載電流時直接甲醇燃料電池一維全電池理論模型，并采用數(shù)值方法求解了該模型。該模型考慮了陰、陽兩極的電化學(xué)過程，還考慮了反應(yīng)物在陰、陽極擴(kuò)散層及質(zhì)子交換膜中的傳質(zhì)、濃度分布和甲醇竄流的動

8、態(tài)變化，以及陰、陽兩極的雙電層電容效應(yīng)對響應(yīng)電勢的影響。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。利用該模型進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，瞬間加載電流時，造成電池電勢突降然后迅速回升的原因是電池兩極的雙電層電容充電電流。催化劑層反應(yīng)物濃度達(dá)到穩(wěn)定的時間隨著加載電流的增大而延長，但不受反應(yīng)物進(jìn)口濃度的影響。此類研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道。 2.對加載電流按照不同規(guī)律變化時液態(tài)進(jìn)料直接甲醇燃料電池動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究及分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，液態(tài)進(jìn)料直接甲醇燃料電池對

9、各種電流變化的動態(tài)響應(yīng)都很迅速。動態(tài)運(yùn)行時電池的開路電壓要高于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的值。瞬間加載電流會使得電壓降到一個低值，然后很快回升。瞬間卸載時的開路電壓也會先跳到一個高值，然后緩慢下降。電流按定斜率逐漸提高加載電流時，電壓在經(jīng)過開始階段近乎直線的下降后，下降斜率會忽然減小，隨著加載電流斜率的減小，電壓下降斜率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的電壓值增大，電流值會減小，相對加載時間會變長。此類研究國內(nèi)還未見文獻(xiàn)報(bào)道。 3.對運(yùn)行參數(shù)(溫度、甲醇溶液濃