PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能
PEM燃料电池性能测试-中兴大学机械系
PEM燃料電池性能測試(本實驗請攜帶紙、筆及隨身碟)一、實驗目的人類發展過程的能源使用出現了許多問題，油價不斷創下新高，石油產地動盪不安、衝突不斷，一再顯示一個嚴重的警訊，石油的儲量已日漸枯竭，人類若不在本世紀找到替代石油的能源方案，未來的發展勢必會受到限制，因搶奪石油而產生的戰爭將不可避免。
而這種替代能源有許多種型態諸如:水力、風力、潮汐、地熱、生質能、太陽能、氫能(燃料電池)等等。
這裡提及到的再生能源，都有一個特性，就是能夠在自然環境中生生不息、循環不已。
氫能源科技以零污染的特色成為最重要的新興能源，氫能源科技的應用包括直接燃燒與使用電化學原理的燃料電池兩種，而無論就污染，效率，或應用範圍來看，燃料電池都將成為未來能源科技的重要選項。
概括而論，燃料電池是一種可靠的能源轉換裝置，只要不斷的供給燃料即可連續不斷電，而且容易維護及再生使用，也不會製造惱人的噪音與環境污染，能量效率與運轉穩定性皆較傳統內燃機高，並且可進行模組化設計等優點。
本實驗透過燃料電池測試平台，藉由量測時間、電壓、電流及功率等來了解質子交換膜燃料電池(PEMFC)之性能，也使同學們對燃料電池有更進一步認識。
二、實驗原理質子交換膜燃料電池(PEMFC)如圖2.1所示，其是以氫氣與氧氣為反應物，其透過觸媒使陽極氫分子(H2)催化分解成氫離子和電子，電子由陽極內部導至外面，經由外電路形成電流，供發電使用後導至陰極，氫離子由陽極透過可導離子(電子絕緣體)之高分子質子交換膜抵達陰極，空氣或氧氣輸送至陰極，其中氧分子(O2)經催化劑與電子(e-)及氫離子(H+)反應產生水，整個過程的產物有水、電能(理論1.23V)和熱能。
在25℃、1atm下，其反應過程以下列化學方程式來表示，陽極：H2→ 2H+ + 2e- Erev,a=0V 氧化反應,可逆平衡電位陰極：1/2 O2 + 2H+ + 2e-→ H2O Erev,c=1.229V 還原反應,可逆平衡電位總反應：H2 + 1/2 O2→ H2O Erev,cell=1.229V 平衡電位差圖2.1：質子交換膜燃料電池(PEMFC)質子交換膜燃料電池的核心組件可分為薄膜(membrane)、電極(electrode)觸媒層(catalyst layer)、氣體擴散層(gas diffusion layer)及雙極板(bipolar plates)。
PEM燃料电池用金属双极板及其涂层的研究进展
PEM燃料电池用金属双极板及其涂层的研究进展摘要质子交换膜(PEM)燃料电池的金属双极板在成本和加工成形方面具有优势,但是其易腐蚀的特点也影响了燃料电池的导电性和耐久性。
该文从金属双极板及其涂层导电性和耐久性出发，系统总结了相关研究进展。
首先根据燃料电池的市场需求，分析了应用金属双极板的优势；对金属双极板及其涂层导电性和耐久性的典型测试方法进行了讨论，并对近期文献中出现的多种涂层进行了评价，发现除合金涂层外大部分涂层能满足美国能源部2020目标。
如图１所示，PEMFC 的工作环境恶劣：高湿度、高电势、温度分布不均匀。
同时，PEMFC的工作状况复杂，在实际的车辆应用中，燃料电池主要经历４种工况：启/停工况、怠速工况、高负载工况和变载工况。
工况的变化可能会导致反应气体不足，而反应气体不足和启/停工况则会带来高电势。
此外，PEMFC在运行中偶尔也会发生控制故障，导致膜的干燥或水淹现象发生。
研究燃料电池工作环境和工作状况下金属双极板的导电性和耐久性至关重要。
图1 PEMFC工作环境及工作状况对金属双极板的影响本文聚焦于金属双极板及其涂层的导电性和耐久性，综述了相关研究进展。
首先简要概述了近年来PEMFC电堆的产品市场，并根据燃料电池制造商的选择指出了研究金属双极板及其涂层的重要性，对涂层进行了分类；然后，讨论了测试方法，对涂层进行了比较；接下来揭示了工作环境和工作状况对金属双极板及其涂层的导电性和耐久性有显著影响，阐述了各因素所造成的影响，最后提出了未来的研究方向。
１、双极板的类型与涂层双极板是PEMFC电堆的重要组件，约占整体70％的质量和30％的价格。
根据双极板材料的不同可以分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。
石墨及其复合材料脆性大、渗气性高、成本较高，相比之下,金属双极板强度更高，具有更好的成形性、抗冲击性和较低的渗气性。
图２整理了部分国内外制造商的车用PEMFC电堆的体积功率密度及其双极板类型。
PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能
PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能李湘华1,2，覃有为2,3，肖金生2,31广西玉林柴油机厂，广西537000；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，3汽车工程学院，湖北430070摘要：为了研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜中电流密度分布及电池性能的影响因素，利用FLUENT软件的燃料电池模块进行了单流道电池的数值模拟，得到了在阴阳极加湿温度和电池运行温度等条件不同的情况下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论了阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度、气体扩散层孔隙率等参数对燃料电池性能的影响。
结果表明随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高;随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。
模拟结果与实验结果基本吻合，这说明计算数学模型是合理的，FLUENT计算结果是可信的。
关键词：质子交换膜；燃料电池；模拟质子交换膜燃料电池输出电压随电流密度的增加而减小，这主要是由于存在各种极化的影响。
质子交换膜的电阻和膜的润湿状况有很大关系，膜的润湿条件好，膜电阻则低，反之则膜电阻变得非常大，欧姆极化也就很大，燃料电池性能下降[1]。
而燃料电池膜中电流密度对质子交换膜中水含量有着非常重要的影响，在低电流密度时，由于电化学反应生成水量以及电拖引起的水迁移量都较少，所以膜中水含量相对比较均匀；而在高电流密度运行时，即使进行阳极加湿，膜的阳极侧也有失水干凅的危险[2]。
因此，质子交换膜燃料电池中影响电池性能和膜中电流密度分布的各种因素是我们必须要给予特别注意的问题。
本文首先讨论了表1各个系列条件下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度等因素对燃料电池性能的影响。
PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计
PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）具有转化效率高、环境友好、室温快速启动等突出特点,是非常有前景的清洁高效的能源装置。
然而,PEM燃料电池成本太高,阻碍其商业化发展。
双极板作为质子交换膜燃料电池中的关键部件,其成本占据着PEM燃料电池总成本的30-45%,金属双极板由于其良好的加工性、导电性、机械抗冲击性能以及低成本,成为PEM燃料电池研究的热点。
双极板材料的选择、流场形式以及流场参数对金属双极板加工成形性能以及燃料电池的输出性能有着重要影响,尤其是双极板流道尺寸的微尺度化,使双极板与宏观尺度下材料的成形性能以及流道中流体流动有所区别。
本文运用数值模拟方法和实验方法研究了奥氏体304不锈钢和新型Fe-Ni-Cr合金双极板的冲压成形性能,分析了成形工艺和流场参数对塑性成形的影响;此外,利用微流体可视化测速技术对双极板微流道中水流动进行测试分析,并且通过测速结果对Fluent软件数值模拟方法进行修正,提高燃料电池性能数值模拟的可靠性。
本文的研究工作和结果有如下几个方面:（1）通过304不锈钢双极板拉伸试验,研究了应变速率对塑性变形的影响,对拉伸试样进行物相分析和微观形貌测试,结果表明奥氏体304不锈钢塑性变形时产生应变诱发马氏体相变,马氏体相变提高了材料的塑性变形能力。
通过J-C模型建立本构关系曲线,与实验结果拟合较好;（2）采用Dynaform 有限元软件建立三维模型,对304不锈钢和合金双极板冲压成形过程进行数值模拟,根据成形极限图（FLD）和板料减薄情况预测和消除成形中的起皱和破裂缺陷,从而得到最佳成形工艺和安全的流场尺寸范围,对数值模拟进行实验验证,实验结果与数值模拟吻合度较高。
研究结果表明合金与常用的304不锈钢双极板成形性能相差不大,是一种非常有前景的双极板材料;（3）利用CFD软件Fluent中的燃料电池模块建立燃料电池的三维数学模型,对电池输出功率的影响因素进行了研究,主要考虑了双极板材料、流场尺寸以及流场类型等因素的影响,数值模拟结果表明,随着电流密度的升高,电压逐渐降低,而功率密度随着电流密度的增加先增大,达到峰值后随着电流密度的继续增加而降低。
聚合物燃料电池膜材料的性能与稳定性研究
聚合物燃料电池膜材料的性能与稳定性研究聚合物燃料电池 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC) 是一种具有高效能和环保的能源转换技术。
PEMFC 的主要组成部分是膜电极组件 (Membrane Electrode Assembly，MEA)，其最重要的组件就是膜材料。
膜材料不仅直接影响PEMFC 的性能，还关系到 PEMFC 的稳定性及其长期使用的合理性。
一、PEMFC 膜材料的选择膜材料是PEMFC 最基本的组成部分之一，直接影响PEMFC 的性能和稳定性。
当前，市场上常用的膜材料主要有聚四氟乙烯 (Polytetrafluoroethylene，PTFE)，草酸酯，磺酸基聚合物 (Sulfonated Polymeric Materials，SPMs)，磷酸基聚合物等。
每种膜材料的优缺点不同，需要考虑物理、化学及电化学性质等方面的综合因素来选择。
PTFE 材料因为具有很强的耐腐蚀性、机械强度和热稳定性等优点，被广泛应用于 PEMFC 中。
然而，它的缺点是对水的通透性不好，不适合用作质子交换膜材料。
草酸酯是 PEMFC 中常用的质子交换膜材料，具有低成本、良好的热稳定性及较好的质子导电性等优点。
但是，草酸酯膜的到质子转换效率较低，稳定性也不太好。
SPMs 材料因具有优异的质子传导性、耐热性和化学稳定性，常用于质子交换膜的制备。
但是，它的耐水性和氧化稳定性较差，在 PEMFC 长期使用过程中容易产生氧化还原反应，不利于 PEMFC 的稳定性和使用寿命。
磷酸基聚合物是一种新型的质子传递材料，具有优异的质子传导性和化学稳定性，同时也较强的耐水性、防止氧化稳定性等优点。
但是，磷酸基聚合物具有吸水性增强和自身机械性能脆弱等缺点，不适合用作单一的质子交换膜材料。
二、PEMFC 膜材料的性能PEMFC 膜材料的性能主要包括以下几个方面：1. 质子传导性能PEMFC 的一个重要指标是质子传导性能。
PEM燃料电池流场板及电池堆流体流动分布的研究
摘要燃料电池（简称ＦＣ）以其能量转化效率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。
流场板是Ｆｃ的重要组成部分，它为电池分配燃料与氧化剂并串连相邻电池，其成本可占总成本的约４０％，而Ｆｃ的高成本正是其走向实用化的一大障碍。
另外，实用Ｆｃ电源需要将多个单电池串联为电池堆，而电池堆的性能不但取决于各单电池的材料和工艺水平，还很大程度上受到燃料和氧化剂向各单池分配均匀性的影响。
不均匀流体分配可以使电池堆大大低于单电池的比性能。
本论文针对现有流场板成本高和电池堆流体分配问题，在开发高性能、价廉的ＦＣ流场板及分析电池堆的流体流动行为方面进行一些新的探索和尝试。
论文首先从材料入手研究了可膨胀石墨的膨化工艺，并进一步研究了石墨的膨化温度、膨胀比容积、膨化时间对可膨胀石墨导电性能的影响。
在不同工艺条件下将蠕虫状石墨用压片机压制成柔性石墨片，测其电阻并计算电阻率，从而确定电阻率的影响因素。
本文还将其它材料与石墨复合，并研究了这些复合柔性石墨片的导电性能。
提出并验证了柔性石墨流场板～步模压成形技术，除单独测量流场板导电率和气密性外还装配了燃料电池，测其放电性能曲线并与其它材料流场板组装的燃料电池的放电性能进行比较，从而验证新材料和工艺的性能。
本文还用ＰｈｏｅｎｉＣＳ流体力学计算软件对直接甲醇燃料电池电堆中甲醇溶液的流体流动特征进行模拟。
研究了电堆的主流道入口流速、单电池数目、电堆的主流道入口尺寸、各单电池流道长度等因素对电堆流体分配的影响。
提出了改进流体分配均匀性的设计方案。
研究取得了极具开发前景的结果，所压制出的柔性石墨流场板的性能相当或略好于硬质石墨板，但其成本将远低于硬质石墨板，这将为燃料电池提高经济竞争力和走向实用化奠定基础。
对电池堆中流体分配行为模拟方法的建立将有助于电池堆的优化设计从而提高其性能。
关键词：流场板：蠕虫状石墨；可膨胀石墨；直接甲醇燃料电池；燃料电池电堆模拟ＡＢＳＴＲＡＣＴＦｕｅｌｃｅｌｌ（ＦＣ）ｉｓｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄａｓａｎｅｗａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｔｏｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｏｗｅｒＳＯＵｒＣｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ．ＦｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｉｎＦＣ，ｗｈｉｃｈｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓｆｕｅｌａｎｄｏｘｉｄａｎｔｆｏｒＦＣａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓ．Ｉｔｓｃｏｓｔａｃｃｏｕｎｔｓｆｏｒａｂｏｕｔ４０％ｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｏｓｔｏｆＦＣ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｈｉｇｈｃｏｓｔｏｆＦＣｉｓａｋｅｙｏｂｓｔａｃｌｅｔＯｉｔｓｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｍａｎｙｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓｈａｖｅｔＯｂｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｔＯｆｏｒｍａｓｔａｃｋ，ｔｏｍａｋｅａｐｒａｃｔｉｃａｌＦＣｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ．ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａＦＣｓｔａｃｋｎｏｔｏｎｌｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆａｌｌｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓ，ｂｕｔａｌｓｏｇｒｅａｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｕｅｌａｎｄｏｘｉｄａｎｔｔｏｅａｃｈｃｅｌｌ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｂｏｖｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓａｒｅｅｘｐｌｏｒｅｄａｎｄｆｌｏｗｐｒｏｆｉｌｅｉｎＦＣｓｔａｃｋａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｂｅｇａｎｗｉｔｈｇｒａｐｈｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｐａｎｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｘｐａｎｄｉｎｇｄｅｇｒｅｅａｎｄｅｘｐａｎｄｉｎｇｔｉｍｅｏｎｔｈｅｐｌａｔｅ’ｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｒａｐｈｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｒｏｃｅｓｓｅｄａｎｄｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｍａｋｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｌａｔｅｓ’ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｉｔｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｏｎｅ—ｓｔｅｐｐｒｅｓｓｍｏｌｄｉｎｇｉｎｐｒｏｄｕｃｉｎｇｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｇｐｌａｔｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｉｎｒｅａｌＰＥＭｆｕｅｌｃｅｌｌｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉⅡ１ｐｌａｔｅｓｆｒｏｍｏｔｈｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇ，Ｐｈｏｅｎｉｘａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｍｅｔｈａｎｏｌｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅＩｌ（ＤＭＦＣ）ｓｔａｃｋｓｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｎｕｍｂｅｒｏｆｆａｃｔｏｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｅｌｌｎｕｍｂｅｒ，ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｃｈａｎｎｅｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｗｉｍｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｉｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｅｌｌｓ．Ｍｅａｎｓｏｆｕｎｉｆｙｉｎｇｆｌｏｗｉｎｆｕｅｌｃｅｌｌｓｔａｃｋｓｗｅｒｅｅｖｅｎｎｅｓｓｏｆｆｌｏｗｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｅｎｃｏｕｒａｇｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｒｅｇａｒｄｔｏｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅｇｒａｐｈｉｔｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅ．Ｉｔｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｕｅｌｃｅｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｍｕｃｈｌｏｗｅｒｃｏｓｔｗｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｏｆｈａｒｄｇｒａｐｈｉｔｅ．Ｔｈｉｓｗｉｌｌｈｅｌｐｔｏｍａｋｅｆｕｅｌｃｅｌｌｍｏｒｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ．ＴｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｉｎＦＣｓｔａｃｋｓｗｉｔｌｌｔｈｅｕｓｅｆｕｌｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｏｐｔｉｏｎａｌｓｔａｃｋｄｅｓｉｇｎＳＯｔｈａｔｉｔｓｈｉｇｈｅｓｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌｃｅｌｌ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅ：ｇｒａｐｈｉｔｅｗｏｒｍｅｘｐａｎｄａｂｌｅｇｒａｐｈｉｔｅｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅｌｌ：ｓｔａｃｋ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
PEM燃料电池操作参数优化实验
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ａｔ
３４３ Ｋ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａ．
ｔｕｒｅ
ａｔ
３３３ Ｋ：ｔｈｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｃｓ ｍｏｎｏｔｏｎｏｕｓｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ；ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｏｒ
ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ
ａｒｅ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｉｓ ｌｏｗ ｆｏｒ ｏｎｌｙ ａｎｏｄｅ
ｃａｔｈｏｄｅ ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｔｏ ｋｅｅｐ ｇｏｏｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｔＯＯ
ｏｆ
Ｎｏｖ．２００６
ＰＥＭ燃料电池操作参数优化实验
高晓佳，孙 红，吴玉厚，张珂
（沈阳建筑大学交通与机械工程学院，沈阳１１０１６８）
摘要：质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池操作参数的优化是提高其性能和稳定性的重要手段。介绍了燃料电池测试 系统的主要功能和使用方法，并运用此系统试对ＰＥＭ燃料电池动态特性进行了测试。分析了操作参数对ＰＥＭ燃 料电池性能的影响。研究结果发现：仅加湿空气或氢气，电池电流密度低，为了获得良好的电池性能，空气和氢气 必须同时加湿；电池的加热温度过高或过低，ＰＥＭ燃料电池的电流密度都很低；加湿温度过低时的电池电流密度 比加湿温度过高时的电池电流密度更低；电池温度３４３ Ｋ扣加湿温度３３３ Ｋ时，燃料电池的电流密度最大；加大反 应气体空气的流量，燃料电池的电流密度一直增大；而增大氢气流量时，电池的电流密度先增大，而后趋于平稳。 实验结果对于促进ＰＥＭ燃料电池的商业化具有重要意义。 关键词： 质子交换膜（ＰＥＭ）； 燃料电池；
PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述-燃料电池论文
PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。
双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件, 其质量占电池堆60%以上。
流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。
系统地综述了现有的流道设计, 剖析了流道的功能及其对电池性能的影响, 并在此基础上讨论了流道设计的设计要点。
关键词: 质子交换膜燃料电池；双极板；流道设计质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源【1】。
双极板是 PEMFC 的重要部件, 其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。
实际上, 燃料电池堆的设计很大程度上就是双极板的设计。
据文献报道,适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右。
流道结构决定反应气与生成物在流道内的流动状态,设计合理的流道可以使电极各处均能获得充足的反应气并及时排出生成的水, 从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。
流场的设计要满足以下几个方面的条件:(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应剂供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂。
特别是对十大面积的电极尤为重要，电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是造成电池性能下降的主要原因之一。
(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流场沟槽的面积应有一个最优值。
沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极板的开孔率，其值应在40%～75%之间。
开孔率太高会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加电池的欧姆极化损失。
(3)由流场结构所决定的反应剂在流场内的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应点的传递，并能促进反应产物的顺利排出。
(4)在一定的流量下，反应剂通过流场的压力降要适中，一般为千帕的数量级。
压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则不利于反应剂在并联的多个单节电池间的分配。
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PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能李湘华1,2，覃有为2,3，肖金生2,31广西玉林柴油机厂，广西537000；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，3汽车工程学院，湖北430070摘要：为了研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜中电流密度分布及电池性能的影响因素，利用FLUENT软件的燃料电池模块进行了单流道电池的数值模拟，得到了在阴阳极加湿温度和电池运行温度等条件不同的情况下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论了阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度、气体扩散层孔隙率等参数对燃料电池性能的影响。
结果表明随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高;随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。
模拟结果与实验结果基本吻合，这说明计算数学模型是合理的，FLUENT计算结果是可信的。
关键词：质子交换膜；燃料电池；模拟质子交换膜燃料电池输出电压随电流密度的增加而减小，这主要是由于存在各种极化的影响。
质子交换膜的电阻和膜的润湿状况有很大关系，膜的润湿条件好，膜电阻则低，反之则膜电阻变得非常大，欧姆极化也就很大，燃料电池性能下降[1]。
而燃料电池膜中电流密度对质子交换膜中水含量有着非常重要的影响，在低电流密度时，由于电化学反应生成水量以及电拖引起的水迁移量都较少，所以膜中水含量相对比较均匀；而在高电流密度运行时，即使进行阳极加湿，膜的阳极侧也有失水干凅的危险[2]。
因此，质子交换膜燃料电池中影响电池性能和膜中电流密度分布的各种因素是我们必须要给予特别注意的问题。
本文首先讨论了表1各个系列条件下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度等因素对燃料电池性能的影响。
1 计算模型本文采用FLUENT软件的燃料电池模块进行了模拟计算。
由于许多燃料电池运行参数和结构参数都对电池性能有影响，本文针对单流道燃料电池，详细研究了燃料电池运行温度，阳极和阴极加湿温度、扩散层孔隙率等因素对质子交换膜中电流密度和电池性能的影响。
为了分别研究各个参数的影响，采用的方法是将其他所有参数固定，而只改变其中一个参数，从而将计算结果进行比较，分析该参数的影响。
2质子交换膜中电流密度的分布在质子交换膜中，在穿过膜的方向上电流密度的变化较小，所以选取质子交换膜正中间平面（y＝0）上的电流密度分布进行讨论。
为了使膜中电流密度的分布更直观，选取该平面上靠近近口（z＝－0.005）、流道中间（z＝－0.025）、靠近出口（z＝－0.045）三个位置处的三条线上电流密度随坐标x的变化关系曲线进行讨论。
2.1 燃料电池运行温度对膜中电流密度分布的影响图1(a)是在平均电流密度都为0.6A/cm2、不同燃料电池运行温度下膜中间位置上（即z＝－0.025位置）电流密度分布比较图。
在平均电流密度相同的情况下，膜中电流密度最小值随燃料电池运行温度的提高而降低，膜中电流密度分布更加均匀。
这是因为在燃料电池运行温度提高时，气体扩散层和催化层中液态饱和度下降，气体扩散阻力减小，所以到达岸下方催化层表面的气体增多，所以最小电流密度增加。
2.2阴极加湿温度对膜中电流密度分布的影响图1(b)是在系列2不同燃料电池阴极加湿温度下膜中间位置上电流密度分布比较图。
从图中可以看出：在阳极保持70℃加湿不变的条件下，膜中电流密度的均匀度随阴极加湿温度的提高而降低。
这是因为随着阴极加湿温度的提高，阴极加湿量增加，在相同平均电流密度下，阴极气体扩散层和催化层中水的液态饱和度增加，气体扩散阻力增加，通过扩散到达岸下方的气体量减小，所以最小电流密度下降，电流密度均匀度下降。
2.3 阳极加湿温度对膜中电流密度分布的影响图1(c)是在系列3不同燃料电池阳极加湿温度下膜中间位置上电流密度分布比较图。
从图中可以看出：在阴极保持70℃加湿不变的条件下，膜中电流密度的均匀度随阳极加湿温度的提高而降低。
这是因为随着阳极加湿温度的提高，阳极加湿量增加，在相同平均电流密度下，气体扩散层和催化层中水的液态饱和度增加，气体扩散阻力增加，通过扩散到达岸下方的气体量减小，所以最小电流密度下降，电流密度均匀度下降。
2.4气体扩散层孔隙率对膜中电流密度分布的影响图1(d)是在不同扩散层孔隙率下膜中电流密度的分布。
从图中可以看出：随着气体扩散层孔隙率的减小，膜中电流密度均匀度明显下降，这是因为在气体扩散层孔隙率减小时，气体在扩散层中扩散时所受的阻力迅速增加，这样反应气体到达岸下方的量就迅速减小，这些地方的电流密度也迅速减小。
c u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x directionc u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x direction(a)不同的电池运行温度 (b) 不同的阴极加湿温度c u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x directionc u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x direction(c) 不同阳极加湿温度 (d)不同孔隙率图1 不同参数对膜中电流密度分布的影响3 质子交换膜燃料电池的性能3.1 质子交换膜燃料电池阴极侧加湿温度对其性能的影响图2(a)是在燃料电池运行在60℃，阳极加湿温度固定为70℃，改变阴极加湿温度从不加湿到50℃加湿、70℃加湿条件下模拟计算出的性能曲线。
从曲线可以看出：1）当燃料电池阳极进行70℃加湿时，再在阴极也进行70℃加湿燃料电池性能比阴极不加湿、阴极50℃加湿的性能曲线都差。
这是因为在阳极进行了70℃加湿时，质子交换膜的润湿条件已经基本良好，当在阴极再进行70℃加湿时，阴极扩散层和催化层中的液态饱和就明显增加，这就导致阴极氧气扩散受阻，浓差极化增加，燃料电池的极限电流密度下降。
2）与阴极不加湿的性能曲线相比，阴极50℃加湿（少量的加湿）条件下低电流密度区性能较好，而极限电流密度却较低。
这是因为对阴极进行少量的加湿在低电流密度时有利于质子交换膜润湿状态的进一步改善，膜电阻进一步降低，燃料电池性能有所提高，而当电流密度较高时，阴极扩散中的液态饱和度较高，影响氧气的传输过程，导致极限电流密度下降。
3.2 质子交换膜燃料电池阳极加湿温度对其性能的影响图2(b)是在燃料电池运行在60℃，阴极加湿温度固定为70℃，改变阳极加湿温度从不加湿到50℃加湿、70℃加湿条件下模拟计算出的性能曲线。
从曲线可以看出：随着阳极加湿温度的提高，燃料电池性能明显改善。
这是因为在其他条件相同的情况下，随着阳极加湿温度的提高，阳极加湿量增加，燃料电池阳极反应气体中水含量增加，质子交换膜阳极侧的润湿条件改善，质子交换膜电阻减小，在欧姆极化区域斜率减小，所以燃料电池性能提高。
o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)(a)不同阴极加湿条件 (b)不同阳极加湿条件o u t p u t v o l t a g e (V )current density （A/cm2)o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)(c)不同运行温度 (d) 不同扩散层孔隙率图2 不同运行参数下模拟的性能曲线3.3 质子交换膜燃料电池运行温度对其性能的影响图2(c)是在阳极加湿温度固定为70℃、阴极不加湿、改变燃料电池运行温度从40℃到50℃、60℃条件下模拟计算出的性能曲线。
从曲线可以看出：在低电流密度下，燃料电池运行温度越高，性能越差，这是因为在只有阳极加湿的条件下，电流较小时，燃料电池电化学反应生成的水量较小，若燃料电池温度越高，则更多的水被蒸发成水蒸汽被带走，质子交换膜阴极侧的润湿条件变差，这样燃料电池的性能就下降。
在高电流密度时，随着燃料电池运行温度的提高，其性能提高，这是因为在高电流密度下，燃料电池阴极侧电化学反应生成的水较多，质子交换膜的润湿条件已经很好，随着运行温度的提高，越多的液态水被蒸发成水蒸汽，阴极扩散层和催化层中的液态饱和度下降，反应气体传输阻力较小，燃料电池浓差极化较小，同时极限电流密度提高。
3.4气体扩散层孔隙率对燃料电池性能的影响图2(d)是在其他条件相同的情况下，改变气体扩散层孔隙率从0.5到0.3的条件下性能曲线的比较。
从图中可以看出：在其他条件相同的情况下，减小气体扩散层孔隙率，燃料电池性能明显下降。
这是因为当气体扩散层孔隙率减小时，气体在扩散层中的扩散阻力增大，到达催化层表面的氧气量减小，燃料电池的浓差极化增加，极限电流密度下降。
4燃料电池模拟计算和实验结果的比较质子交换膜燃料电池的计算机模拟是建立一定的假设、物理和化学理论基础上，与实际的工作状态、性能变化不一定完全相一致。
为了验证计算数学模型的合理性，将在运行温度60℃、扩散层孔隙率为0.5时不同加湿条件下单流道燃料电池模拟计算的性能曲线和实验得到的性能曲线（实验数据来源于武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室燃料电池课题组丁刚强的测试结果，具体的测试方法和设备参考文献[3]。
）进行比较，比较结果如图3所示。
从图中可以看出实验值和模拟值吻合比较好，这就说明计算采用的数学模型是合理的。
o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2) o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)（a ）0℃/阳极70℃加湿 (b)阴极70℃/阳极50℃加湿图3 模拟性能曲线与实验性能曲线的比较5 结论a ）随着燃料电池阴极加湿温度和阳极加湿温度的提高，阴极扩散层水的液态饱和度升高，反应气体传输阻力增加，膜中电流密度分布均匀度提高。
b ）燃料电池的性能随阳极加湿温度和燃料电池运行温度的提高而升高，随气体扩散层孔隙率的减小而下降。
c ）在低电流密度区对阴极进行一定加湿有利于提高燃料电池性能，但是在高电流密度区燃料电池性能随阴极加湿量的增加而下降。
d ）模拟结果与实验结果基本吻合,这说明计算数学模型是合理的, FLUENT 计算结果是可信的。
参考文献[1] 王江, 施明恒. 燃料电池中质子交换膜干枯的热物理机制[J]. 工程热物理学报. 2003, 1(1):103~105.[2] Okada T, Ratkje S K, Gorseth O, et al. Membrane characteristics and water management in polymerelectrolyte fuel cells[J]. FuelCell Seminer, 1995:339.[3]丁刚强. PEMFC 带增湿槽道集流板的研究：[D]. 武汉：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，2005.Current Density Distribution and Performance of PEM Fuel CellXianghua Li 1,2, Youwei Qin 2,3, Jinsheng Xiao 2,31Yulin Diesel Engine Factory, Guangxi 537000, China ; 2State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, 3School of Automotive Engineering, WuhanUniversity of Technology, Hubei 430070, ChinaAbstract: In order to research the effective factors to the proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) performance, a single channel fuel cell is modeled by computational fluid dynamics software FLUENT. And the current density distributions in proton exchange membrane under different humidified and operating temperature are obtained. Then the effects of the current density and operating temperature, humidified temperature of cathode and anode, porosity of porous diffusion layer are discussed. The results show that when the cathode humidified temperature increase, the humidification of membrane and fuel cell performance improved at lower current density, while the saturation in diffusion layer increase and the performance decreases at higher current density. Humidification of membrane and fuel cell performance improved when the anode humidified temperature increase, the saturation in diffusion layer decrease and fuel cell performance improved when the fuel cell working temperature increase, the resistance of diffusion layer decrease and the performance improved when the porosity largen. At last, the simulation results are compared with the experimental results and they are basically the same. It shows that the computational model is reasonable and the simulation results from FLUENT are credible.Key Words: proton exchange membrane (PEM); fuel cell (FC); simulation。