質子交換膜燃料電池水平衡研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池是近年發(fā)展起來的一種新型清潔能源技術，是將儲存在燃料中的化學能通過電化學反應轉化為電能的一種裝置。質子交換膜燃料電池具有能量轉化效率高，高功率密度，清潔無污染，模塊化設計等特點，可以廣泛應用于固定式電源，車用電源和便攜式電源。 水在現(xiàn)有的質子交換膜燃料電池中扮演至關重要的角色，一方面在質子交換膜中質子的傳導必須有水參與，膜中必須含有充分的水已保證質子傳導率。如果膜過干會造成燃料電池性能的下降，在極端的條件下甚至

2、導致材料物理性能的永久性損傷。另一方面水在燃料電池的陰極生成，如果過多的水無法有效排出則會淹沒電極，造成燃料電池性能下降甚至出現(xiàn)反極現(xiàn)象。如何保持燃料電池水平衡是質子交換膜燃料電池研究的熱點之一。保持燃料電池的水平衡不僅對提高燃料電池性能有著重要的影響，對延長燃料電池的使用壽命也至關重要。 本文系統(tǒng)研究了水在質子交換膜燃料電池中從材料，部件，電池到系統(tǒng)等不同層面的傳遞現(xiàn)象和平衡機制，主要研究內容和成果如下： （1）設計了

3、一種簡單而有效的水傳遞速率的測量方法，得到了通過質子交換膜與氣體擴散層（GDL）的水傳遞實驗數(shù)據(jù)，并利用這種方法研究了不同疏水度和微孔層的氣體擴散層對水傳遞速率的影響。疏水GDL可以抑制水從質子交換膜中排出，GDL表面涂覆微孔層加強了這種抑止作用。疏水度和微孔層碳載量越高，抑制作用越大。因此，在低濕度下工作應該采用高疏水度的GDL和高碳載量的微孔層，以防止膜失水變干；在高濕度下工作應該采用低疏水度的GDL和低碳載量的微孔層，以加強排水，

4、防止催化層“水淹”。 （2）研究了GDL在不同的氣體濕度、溫度以及化學計量比下水傳遞特性，建立了在給定的材料和部件中燃料電池的水傳遞輸率經驗公式。結果表明濕度增加水傳遞輸率下降；溫度升高水傳遞輸率增加；在高濕度下增加氣體化學計量比并不能提高水傳遞輸率。 （3）基于燃料電池的水平衡原則（即當其排水能力與生成水相當時，燃料電池內部達到水平衡，實現(xiàn)平穩(wěn)運行），本文提出最適合燃料電池工作的“甜區(qū)”（燃料電池水平衡工作區(qū)域）的新觀

5、點，根據(jù)該觀點開發(fā)出一種質子交換膜燃料電池水平衡分析表，用來預測燃料電池的工作的“甜區(qū)”。性能測試的結果表明，水平衡分析表中預測的不適宜操作條件下，燃料電池的性能很不穩(wěn)定并出現(xiàn)水淹的現(xiàn)象。而分析表中預測的優(yōu)化操作條件下，燃料電池表現(xiàn)出最好的性能和穩(wěn)定性。因此燃料電池的控制策略應該根據(jù)工作電流主動控制調整氣體化學計量比、濕度、溫度等因素，換言之，這些參數(shù)在電池運行過程中不應該是常數(shù)。 （4）本文提出了一種“自上而下”的燃料電池系統(tǒng)

6、設計思想。從燃料電池工況負載分析入手，圍繞最適合燃料電池工作的“甜區(qū)”（燃料電池水平衡工作區(qū)域），通過材料和部件特性選擇，燃料電池流場和系統(tǒng)設計，操作條件優(yōu)化，強化控制策略，來確保燃料電池始終工作在最佳的環(huán)境下，以獲得最佳的性能和較長的工作壽命。 燃料電池的水平衡研究是一個復雜的系統(tǒng)研究工程，目前也取得了很多進展，但是許多關鍵材料的基本水傳遞系統(tǒng)數(shù)據(jù)非常缺乏，對數(shù)學模擬的工作非常不利，本文的工作也證明了這些基本數(shù)據(jù)的重要性。今后