質(zhì)子交換膜燃料

質(zhì)子交換膜燃料

1.前言

質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是目前世界上最成熟的一種能將氫氣與空氣中的氧氣合成潔凈水并釋放出電能的技術(shù)。

燃料電池的應(yīng)用十分廣泛：一是用作移動(dòng)電源、備用電源等；二是用作汽車、船舶等交通工具動(dòng)力，以滿足環(huán)保對(duì)車船排放的要求并解決對(duì)石油燃料依賴過(guò)重的問(wèn)題。三是可用作分散型電站[1]。燃料電池電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可用作分散型電站，獨(dú)立供電。燃料電池應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)潛力巨大，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、環(huán)保保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

燃料電池中雙極板氫導(dǎo)流場(chǎng)與空氣導(dǎo)流場(chǎng)的工程設(shè)計(jì)不但會(huì)影響電池的發(fā)電性能，而且會(huì)影響燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性及壽命[2]。理想的燃料電池雙極板氫導(dǎo)流場(chǎng)工程設(shè)計(jì)應(yīng)該使整個(gè)導(dǎo)流場(chǎng)中的燃料氫與空氣中氧向電極傳質(zhì)均勻，并可以通過(guò)雙極板內(nèi)置的冷卻流體循環(huán)將電極反應(yīng)的生成熱及時(shí)帶出，而且又可以將電極反應(yīng)生成的產(chǎn)物水及時(shí)帶出，使電極電化學(xué)反映處于良好的水、熱管理平衡狀態(tài)，從而燃料電池運(yùn)行性能及穩(wěn)定性、壽命都有保證。

本文針對(duì)一種氫氣、空氣型燃料電池雙極板導(dǎo)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)，提供了一種可以研究、診斷導(dǎo)流場(chǎng)工程設(shè)計(jì)合理性的方法。

2實(shí)驗(yàn)

氫、空型質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板工程設(shè)計(jì)

在石墨板上銑出如圖1、2所示的氫氣與空氣流場(chǎng)，然后把石墨板按虛線處平均分成四等份，中間用不導(dǎo)電的環(huán)氧膠粘接，使石墨板的四個(gè)部分相互絕緣。并且環(huán)氧膠的厚度要與石墨板的厚度相同。

膜電極三合一的制備

制作電極使用的碳紙是日本的Toray-090碳紙，所用的催化劑是20%Pt/C英國(guó)Johnson-Matthey產(chǎn)品，Pt用量大約為/cm2，質(zhì)子交換膜采用美國(guó)DuPont公司出售的Nafion系列112膜，Nafion膜經(jīng)預(yù)處理后除去表面的有機(jī)物和金屬離子。

電極中的Pt催化劑與Nafion溶液配成混合溶液，然后涂在碳紙上，在100℃的條件下烘干半小時(shí)。將兩張涂有催化劑的碳紙與Nafion膜熱壓在一起，熱壓條件是130℃，壓力10Mpa，2分鐘。壓制后的大電極也均勻分割成4個(gè)部分，中間用硅橡膠相連接密封。每一塊電極的有效面積為60cm2，如圖3所示。

評(píng)價(jià)裝置的流程

流程如圖4所示。氫氣、空氣經(jīng)減壓閥后再經(jīng)過(guò)流量計(jì)到達(dá)增濕器，然后再進(jìn)入燃料電池，運(yùn)行壓力：氫氣；空氣，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水隨著尾氣排出電池，尾氣進(jìn)入氣液分離罐后排空。增濕器的溫度由溫度自動(dòng)控制器來(lái)控制，電池的溫度通過(guò)循環(huán)水來(lái)控制。

一個(gè)平面上的四塊相等的單電池通過(guò)串聯(lián)的方法與負(fù)載相連接，每一塊電池的有效面積是65cm2，負(fù)載為自制的電阻負(fù)載。電池的增濕露點(diǎn)溫度為50℃，氫氣的計(jì)量比為，通過(guò)改變空氣的計(jì)量比，電池的運(yùn)行溫度來(lái)考察陰極流場(chǎng)對(duì)電極性能的影響。氫氣進(jìn)口區(qū)域的電池為第一塊電池，空氣進(jìn)口區(qū)域的電池為第二塊電池，氫氣出口附近的電池為第三塊電池，空氣出口附近的電池為第四塊電池。

1：氫氣進(jìn)口；1''''：氫氣出口

2：空氣進(jìn)口；2''''：空氣出口

3：冷卻水進(jìn)口；3''''：冷卻水出口

A.第一塊電池區(qū)域，B.第二塊電池區(qū)域，C.第三塊電池區(qū)域，D.第四塊電池區(qū)域

3．結(jié)果與討論

溫度對(duì)不同區(qū)域電池性能的影響

首先固定空氣的計(jì)量比為，氫氣計(jì)量比為，運(yùn)行壓力、氫氣、空氣都為，考察了50℃、55℃、60℃條件下的不同電池的伏安特性曲線。圖5-圖7為不同電池的電壓、電流曲線。溫度對(duì)第一塊電池的伏安曲線沒有影響，不論是在小電流還是在大電流，三種溫度的曲線吻合的非常好。第二塊電池的50℃、55℃伏安曲線非常吻合，當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)第二塊電池的性能低于50℃、55℃的性能。第三塊電池在50℃，20A時(shí)的電壓為，隨著溫度的升高，伏安曲線的尾部逐漸抬高，性能變好，在60℃，20A時(shí)電壓升高為。第四塊電池受溫度的影響最嚴(yán)重，在55℃，時(shí)電壓已經(jīng)降低到，當(dāng)溫度升高到60℃電壓恢復(fù)到。

圖8-圖10為不同溫度下四塊電池的性能比較。在50℃與55℃，電池的性能是按下面的順序排列的：第二塊電池>第一塊電池>第三塊電池>第四塊電池。在60℃條件下，電池的性能排序?yàn)椋旱谒膲K電池>第三塊電池>第二塊電池，第一塊電池。

燃料電池的流場(chǎng)對(duì)不同區(qū)域的電池性能是有很大影響的。在空氣進(jìn)口處由于氧氣濃度含量最高，氣體流速最快，氣體中的水含量最少，容易把進(jìn)口處通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水帶走，在低溫時(shí)這有利于電池具有好的性能，但是隨著溫度的升高容易使進(jìn)口處電池中質(zhì)子交換膜的含水量減少，使膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力下降，在相同電流下電池的電壓降低。所以第二塊電池在50℃、55℃下的性能基本相同，在60℃時(shí)的性能下降。同樣的道理，氫氣進(jìn)口處的電池性能在低溫時(shí)也具有好的性能，但是氫氣的流量遠(yuǎn)小于空氣的流量，所以在60℃時(shí)，質(zhì)子交換膜還沒有處于失水的狀態(tài)，在50℃-60℃溫度范圍內(nèi)第一塊電池的性能沒有大的變化，三種溫度的曲線吻合的非常好。由于電化學(xué)產(chǎn)生的水大部分隨著空氣的流動(dòng)被帶到空氣出口處，并且出口處的氧氣濃度最低，所以在低溫時(shí)會(huì)使氧氣向催化劑的擴(kuò)散困難，造成電池的性能下降。第四塊電池受溫度的影響最嚴(yán)重就是由此產(chǎn)生的。隨著溫度的升高，在空氣出口處的液態(tài)水的含量減少，氧氣向催化劑擴(kuò)散又變得容易，而且膜是處于潤(rùn)濕狀態(tài)，所以電池的性能提高。由反應(yīng)產(chǎn)生的水會(huì)通過(guò)膜向氫側(cè)反滲透，所以在氫側(cè)出口附近的液態(tài)水也比進(jìn)口處的水多，這也造成了第三塊電池的性能受溫度影響。

空氣計(jì)量比對(duì)不同區(qū)域電池性能的影響

空氣計(jì)量比對(duì)電池的性能有很大的影響，圖11-圖14為55℃，不同電池在空氣計(jì)量比為范圍內(nèi)的伏安特性曲線。第一塊電池在三種計(jì)量比下性能基本沒有變化。第二塊電池在計(jì)量比為時(shí)的性能最好，然后隨著計(jì)量比的增加電池性能下降。第三塊、第四塊電池的性能都隨計(jì)量比的增加而增加，但是第四塊電池受計(jì)量比的影響更大。圖15-圖18為不同電池在相同計(jì)量比下的性能比較。在、計(jì)量比條件下電池的性能是第二塊電池>第一塊電池>第三塊電池>第四塊電池，但是在計(jì)量比條件下電池的性能是第四塊電池>第三塊電池>第二塊電池>第一塊電池。

空氣計(jì)量比的增加有利于帶走電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水。在空氣進(jìn)口處，電池產(chǎn)生的水很容易被過(guò)量空氣帶走，隨著空氣向空氣出口處流動(dòng)，其所夾帶的水越來(lái)越多，就需要更多的過(guò)量空氣來(lái)帶走反應(yīng)產(chǎn)生的水，這樣當(dāng)空氣計(jì)量比小的時(shí)候，空氣進(jìn)口處的電池不易受到影響，容易把進(jìn)口處通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水帶走。在空氣進(jìn)口處的電池也就是第二塊電池在、計(jì)量比時(shí)電池性能基本沒有變化，在計(jì)量比時(shí)由于空氣流量太大，使質(zhì)子交換膜變干，所以電池性能出現(xiàn)下降?？諝庀韧ㄟ^(guò)第二塊電池，然后就通過(guò)第一塊電池，空氣在這里的含水量會(huì)增加，但是該電池是氫氣首先流過(guò)的電池，所以一部分產(chǎn)生的水會(huì)通過(guò)反滲透由氫氣帶走，這樣計(jì)量比對(duì)該電池的影響很小，在三種計(jì)量比件下，電池的性能基本相同。反應(yīng)產(chǎn)生的水主要在第

三、四塊電池積累，所以計(jì)量比對(duì)這兩塊電池的影響最大，隨著計(jì)量比的增加，積累在第

三、四塊電池的水會(huì)被帶走，電池的