温度、流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的影响

温度、流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的影响 温度、流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的 影响 第36卷 2006正 第3期 6月 电池 BATTERYBIM0NTHLY Vo1.36.No.3 Jun.,2006 日 皿度,流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的影响 丁刚强,罗志平,潘牧 (1,中国船舶工业集团公司第712研究所,湖北武汉430064; 2.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北武汉430070) 摘要:PEMFC的阳极流场和阴极流场均为单蛇形流场,活性面积为25cm.氢气和空气的操作压力为常压,工作温度为 4o,70?,氢气流量为300m1/min,空气流量范围为500,1500ml/min.通过单电池的实验,得到电压,电流和电阻数据, 并分析了温度,湿度和空气流量对单电池性能的影响.在饱和增湿条件下,升高工作温度会降低膜的内阻并提高电池性 能,在不饱和增湿条件下,温度升高会使内阻上升,增加欧姆极化.电池性能随着空气流量增大而上升,空气剂量比系数要 大于3;阴极或者阳极增湿条件改善,可以提高电池的性能,阳极增湿务件比阴极增湿条件更重要. 关键词:质子交换膜燃料电池;内阻;剂量比;水传递 中图分类号:TM911.42文献标识码:A文章编号:1001—1579(2006)03—0178—03 Effectsoftemperature, PEMFCwithsingle fluxandhumidityonthe serpentineflowfield DINGGang—qiang,LUOZhi—ping,PANMu (1,712ResearchInstitute,ChinaStateShipbuildingCorporation,Wuhan,Hubei430064,China;2,StateKeyLaboratoryof AdvancedTechnologyforMaterialsSynthesisandProgressing,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430070,China) Abstract:AnodeflowfieldandcathodeflowfieldofPEMFCweresingleserpentineflowfield,theactiveareawas25cm.The workingpressureofhydrogenandairwasnormalpressure.workingtemperaturewas40, 70?,thefluxofhydrogenandairwas 300ml/minand500, 1500ml/min,respectively.Thevoltage,currentandresistancedatawereobtainedbysinglecelltest;the effectsoftemperature,fluxandhumidityonsinglecellwereanalyzed.Theincreaseofworkingtemperaturecouldreducethe resistanceandraisetheperformanceundersaturatedhumidifying.Whilethecellwasperformedunderlowhumidi~ing,the increaseofworkingtemperaturecouldincreasetheinnerresistanceandohmicpolarization.Theperformanceincreasedwiththe increaseofairflux,theairstoichiometricratioshouldbehigherthan3.Improvingthehumidifyinginanodeandcathodecould increasetheperformanceofcell,thehumidifyinginanodewasmoreimportantthanthatincathode. Keywords:PEMFC;innerresistance;stoichiometfieratio;watertransfer 质子交换膜燃料电池(PEMFC)能很好地应用于电动汽车, 潜艇和可移动电源_】J.操作条件,如电池温度,气体流量及两 边反应气体的增湿程度,均会影响PEMFC的性能.对于具体 的电池结构,需要通过实验来对操作条件进行优化』. 本文作者通过单电池的.,和.,曲线数据,分析了工作 温度,空气流量及气体增湿等操作条件对电池性能的影响. 1实验 1.1实验条件 扩散层材料为TGP—H一060碳纸(厚度为0.18mm,日本 产),在浓度为15%的聚四氟乙烯(PTFE)乳液中浸泡5, 10min.再放入烘箱中于350?下热处理30min.质子交换膜 作者简介: 丁刚强(1980一),男,安徽人,中国船舶工业集团公司第712研究所助理工程师,硕士,研究方向:质子交换膜燃料电池,本文联系人; 罗志平(1961一),男,湖南人,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室副研究员,研究方向:质子交换膜燃料电池; 潘牧(1964一),男,湖北人,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授,研究方向:质子交换膜燃料电池. 第3期丁刚强,等:温度,流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的影响179 采用Nafion111膜,厚度为0.025mm,催化层Pt载量为 0.4mg/cm2;密封垫采用厚度为0.20mm的PTFE薄片. 实验采用的PEMFC活性面积为25cm.氢气和空气的操 作压力为常压,工作温度为40,70?;氢气流量为300ml/min, 空气流量范围为500,1500ml/min. 阳l及和阴极流场均为单蛇形流场,流槽的宽度和深度均为 1mmo两块集流板相互垂直,即氢气和空气的流动方向相互垂直. 1.2实验装置 PEMFC测试装置是FCT.2000系统(美国产).该系统由 气路分配器(GDU),增湿器(GH.300),电子负载(SERIES 890B)和控制部分(ccu)组成.氢气和空气分别由气体分配器 和增湿器进入单电池.气体的流速通过气体分配器里面的流 量器控制,增湿温度由增湿器的温度来控制.电池停止运行或 者意外中断关闭氢气和空气时,气体分配器的氮气通道自动供 给氮气,将电池内部剩余的氢气和空气排出.单电池的两端端 板引出两根导线用于传导电流,另外引出两根导线用于测量电 压.电子负载使用瞬间中断电流的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 来测量电阻. 2结果与讨论 2.1温度对电池性能的影响 升高电池温度对电池内部有5个主要作用_3J:提高流道和 扩散层中的水气分压,降低反应气体的浓度,增大气体的扩散 系数,有利于气体的扩散,减小浓差极化.电池电动势的下降 依据电化学热力学原理.按照电化学动力学,提高电化学反应 中的交换电流,降低活化极化,有利于膜中的质子传导,减小膜 的电阻.对于PEMFC,升高温度能提升电池的性能. J,mA-cm 14O?25O?36O?47O? 图1电池在不同温度下的.,和尺一.,曲线 Fig.1JandR—Jcurvesforcellsatdifferenttemperatures 图1中,氢气流量为300ml/min和空气流量为1500ml/ min;阳极和阴极增湿温度均为60?.电流密度为0,1200 mA/cm时,电池性能随着温度上升依次提高. 低电流密度(0,100mA/cm)时,电池性能主要由活化极 化控制.电流密度为100mA/cm时,电池在温度为40?, 50?,60?和70?条件下的电压依次为0.804V,0.805V, 0.813V和0.835V.随着温度升高,电池性能的上升比较明 显.中等电流密度(100,800mA/cm)时,欧姆极化对电池性 能起主要作用.40?,50?和60?时,电压均匀递增,而60? 和70?时的电压值接近.当电流密度为600mA/cm时,电池 在温度为40?,50?,60?和70?的条件下,电压依次为 0.657v,0.672v,0.685v,和0.689v;电阻密度依次为0.069 Q?cm2,0. 067Q?cm2,0. O65Q?cm2和0.085Q?cm2.这种条件 下,40?,50?和60?时的电压依次升高,电池内阻缓慢递 减,但是60?和70?时,电池的电压和电阻都很接近.温度上 升有利于膜中的质子传导,降低膜的电阻,减小电池欧姆极化. 阳极和阴极增湿温度均为60?,不能为电池在70?时工作提 供足够的增湿量,导致膜的失水,使70?时电池的电阻大于 6O?时的. 高电流密度(800,1200mA/cm)范围内,电池工作温度 为40?和50?时,最大电流密度分别为1000mA/cm和 1050mA/cm,最大电流密度都没有达到1200mA/cm.主要 原因是电池大电流工作的时候,生成的水过剩.这时候浓差极 化起主导作用.随着温度的升高,尾气带走的水量增加,气体扩 散更容易. 2.2空气流量对电池性能的影响 从图2可知,在不同空气流量下,电池的内阻变化不大,最 大电流密度随着气体的流量增大而提高.空气流量加大,不会 改变电池中别的参数,只是提高内部气体的速度.这样会导致 催化层的氧气浓度提高_4J,电池的最大电流密度随之上升. l500ml/min2800ml/min3l000ml/min 4l200ml/min5l500ml/min 图2电池在不同空气流量下的.,和R—J曲线 Fig.2U-JandR—Jcurvesforcellsatdifferentairflowrates 在空气流量为500ml/min,800ml/min,1000ml/min, 1200ml/min和1500ml/min时,电池的最大电流密度依次为 500mA/cm2., 750mA/em2.900mA/cm,1000mA/cm和1200 mA/cm.通过计算可知,在各个电流密度下需要的空气的流量 依次为201.25ml/min,301.87ml/min,362.25ml/min,402.5 ml/min和483ml/min.它们的剂量比系数分别是2.48,2.65, 2.76,2.98和3.10.电流密度上升,使得阴极生成的水量增多, 增加了气体通过扩散层的阻力,降低了催化层中氧气的浓度, 使得最大电流密度变大,需要更高的空气剂量比系数. 当电流密度为500mA/cm时,空气流量为500ml/min, 800ml/min,1000ml/min,1200ml/min和1500ml/min的条 件下,电池电压依次为0.561V,0.696V,0.702V,0.709V和 0.708V.给定的剂量比系数分别是2.48,3.97,4.96,5.96和 7.45,当剂量比系数大于4的时候,提高空气的流量对改善电池 性能的影响不大.低电流,高电压且空气需求量很小的情况下, 增加空气流量不能继续提高电池的性能.通过上述分析,实际 运行过程中,采用电池工作温度为60?,阳极和阴极增湿温度 为70?的条件,电池运行的空气剂量比系数要大于3. l8O 电池 BATTERYBIMONTHLY第36卷 2.3增湿条件对电池性能的影响 电池工作温度为60?,氢气流量和空气流量分别为300 m[/min和1500m]/min,通过改变阳极或阴极增湿条件,固定 另一电极增湿温度为60?,研究气体增湿程度对电池性能的 影响.不同气体增湿条件通过改变膜中的水分布,影响电池性 能.电池反应生成的水会影响到电池内部的水含量,生成的水 量还随着运行电流密度的变化而改变.分析改变电池增湿条 件对电池性能的影响,需要同时结合电流密度. 图3A中,电流密度在低于1000mA/cm时,电压曲线随 着阳极增湿条件的改善而提高,电阻随之而减小.电流密度为 600mA/cm时,电池电压依次为0.569V,0.616V,0.682V; 电阻密度依次为0.1310?cm,0.0740?cm,0.065n?cm.三 者电压差在0.05V级别,电阻密度差在0.O1Q?cm级别.电 池在大电流密度运行时,因为生成的水过多导致电池内部水量 增加,电池性能反而随着增湿水量的增加而降低,如电流密度为 1200mA/cm2时,电池电压依次为0.399V,0.379V,0.339V. J/mA?cm lDrv(南?)240?360?a电压b电阻 图3电池在不同增湿温度下的_,和_,曲线 Fig.3U-JandR-JCLI1W~forcellsatdifferenthumidification ternperatures 由图3B可知,阴极增湿条件对电池性能影响的趋势和阳 极增湿条件一样,不过影响程度减小.在0—900mA/cm2时, 在相同电流密度下,电压随着增湿条件的改善而提高,电阻随 之而减小.电流密度为600mA/cm2时,电池电压依次为0.649 V,0.663V,0.682V;电阻密度依次为0.070Q?cm,0.067Q? cm,0.065Q?cm.三者电压差在0.O1V级别,电阻密度差在 0.001Q?cm级别.在高电流密度下,电池性能也随着增湿量 的加大而降低. 水在膜中的传递方式,使改变阳极增湿条件比改变阴极增 湿条件对膜中电阻的影响要大,如图4所示. 水在膜中的迁移方式'5J主要有3种:?电迁移,质子处于 水合状态,在质子迁移时,由于电渗作用必然将膜中的水从阳 极带到阴极;?浓度扩散,膜的一侧 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面比另一侧表面有更高 的水含量时,水的浓度差推动了水从高的一侧向低的一侧扩 ? ' ,: -t_ H2O'??. 一' :.'._ H2O?一?._. — :.一 H20l_二. . 一 H2O 曩 .70. ? 』 ' - H H2U 图4膜中的水传递示意图 Fig.4Sketehofwatertransferringinmembrane 散;?压力迁移,PEMFC使用的还原剂和氧化剂不在同一压力 的条件下,电极之间的压差推动水在膜中的传递.本文作者采 用的阳极和阴极气体工作压力为常压,膜中压差迁移水量很 小,此时膜中的水迁移主要考虑电迁移和浓度扩散. 在阳极饱和增湿,改变阴极增湿的条件下,膜的阳极侧处 在润湿状态,阳极有足够的水随着电迁移到达阴极;同时阳极 的水浓度比阴极的高,水随着浓度扩散,从阳极到达阴极.在两 者的作用下,膜中的水容易实现均匀分布.这时阴极增湿条件 的改变,对膜中水分布的影响很小,电池性能和电阻相差不大. 阴极饱和增湿,改变阳极增湿的条件下,膜的阴极侧处在 润湿状态,阳极侧处在不完全润湿状态.阳极侧的水又随着电 迁移从阳极向阴极扩散,因此膜中水分布不均匀.此时增加阳 极的增湿量,可以改善膜中的水分布. 3结论 通过单蛇形流场的电池实验,分析工作温度,空气流量,气 体增湿等条件对电池性能的影响,可得到:在饱和增湿条件下 升高工作温度,可以降低膜的电阻和提高电池性能.在不饱和 增湿条件下,温度升高使膜的电阻上升,增加欧姆压降.在采用 空气为氧化剂时,电池性能随着空气流量增大而上升,空气剂 量比系数要大于3.增湿条件的改善,能提高电池性能,阳极增 湿条件的改变对电池性能的影响,大于阴极增湿条件的改变.' 参考文献: [1]ZHUXin-jian(朱新坚).中国燃料电池技术现状与展望[J]. 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