質(zhì)子交換膜燃料電池水平衡研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型清潔能源技術(shù)，是將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高，高功率密度，清潔無(wú)污染，模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于固定式電源，車用電源和便攜式電源。 水在現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池中扮演至關(guān)重要的角色，一方面在質(zhì)子交換膜中質(zhì)子的傳導(dǎo)必須有水參與，膜中必須含有充分的水已保證質(zhì)子傳導(dǎo)率。如果膜過(guò)干會(huì)造成燃料電池性能的下降，在極端的條件下甚至

2、導(dǎo)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(guò)多的水無(wú)法有效排出則會(huì)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(zhì)子交換膜燃料電池研究的熱點(diǎn)之一。保持燃料電池的水平衡不僅對(duì)提高燃料電池性能有著重要的影響，對(duì)延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命也至關(guān)重要。 本文系統(tǒng)研究了水在質(zhì)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(jī)制，主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： （1）設(shè)計(jì)了

3、一種簡(jiǎn)單而有效的水傳遞速率的測(cè)量方法，得到了通過(guò)質(zhì)子交換膜與氣體擴(kuò)散層（GDL）的水傳遞實(shí)驗(yàn)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(kuò)散層對(duì)水傳遞速率的影響。疏水GDL可以抑制水從質(zhì)子交換膜中排出，GDL表面涂覆微孔層加強(qiáng)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(yīng)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(yīng)該采用低疏水度的GDL和低碳載量的微孔層，以加強(qiáng)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(xué)計(jì)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(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)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(xué)計(jì)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(dāng)其排水能力與生成水相當(dāng)時(shí)，燃料電池內(nèi)部達(dá)到水平衡，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)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(diǎn)，根據(jù)該觀點(diǎn)開發(fā)出一種質(zhì)子交換膜燃料電池水平衡分析表，用來(lái)預(yù)測(cè)燃料電池的工作的“甜區(qū)”。性能測(cè)試的結(jié)果表明，水平衡分析表中預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(yīng)該根據(jù)工作電流主動(dòng)控制調(diào)整氣體化學(xué)計(jì)量比、濕度、溫度等因素，換言之，這些參數(shù)在電池運(yùn)行過(guò)程中不應(yīng)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(shè)計(jì)思想。從燃料電池工況負(fù)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(guò)材料和部件特性選擇，燃料電池流場(chǎng)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，操作條件優(yōu)化，強(qiáng)化控制策略，來(lái)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(zhǎng)的工作壽命。 燃料電池的水平衡研究是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)研究工程，目前也取得了很多進(jìn)展，但是許多關(guān)鍵材料的基本水傳遞系統(tǒng)數(shù)據(jù)非常缺乏，對(duì)數(shù)學(xué)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