重力對PEM燃料電池陰極水管理影響

摘要：本文測試了重力對陰極水從PEM燃料電池內排出的影響。通過改變陰陽極擺放位置，采用改變電子負載測定輸出電壓和電流的方法，對應著不同的加濕條件下，陰極在上和陽極在上，利用電壓/電流密度/溫度畫出極化曲線。對應著陰陽極上下擺放位置的不同，電池溫度、陽極氣體加濕溫度和陰極氣體加濕溫度在40℃～70℃之間同步變化，得出四組實驗數據結果。實驗結果表明，在PEM燃料電池電極擺放陽極在上時，重力有利于PEM燃料電池陰極液態水的排出；在PEM燃料電池電極擺放陰極在上時，重力不利于PEM燃料電池陰極液態水的排出。

　　關鍵詞：質子交換膜；燃料電池；重力；水管理

　　影響PEM（質子交換膜）燃料電池性能的因素很多，例如溫度，壓力，燃料和氧化劑的氣體流量等外部因素，也有傳質傳熱等內部因素。其中一個較主要的影響因素就是內部的水管理。水管理的好壞將直接影響其性能的好壞，而且水在PEM燃料電池內部是一把雙刃劍，膜內不能缺水，氣體擴散層內又不能被水堵塞，還要考慮過量水分的排出等。

　　很多人對PEM燃料電池內部的水管理進行研究，大多數是以模型的形式模擬其傳遞過程。Hua Meng^[1]建立了一個三維模型來模擬MEA（膜電極組件）內水連續傳遞過程。B. Carnes等人^[2]利用一維和二維模型對PEM燃料電池內部質子和水進行了分析。Wei-Mon Yan等人^[3]用一維模型通過耦合溫度梯度和傳質詳細分析了PEM燃料電池膜內的水熱管理情況。

　　Trung Van Nguyen等人^[4]從氣體的傳遞和分布方面分析了PEM燃料電池堆內部的水管理。N.Rajalaks hmi等人^[5]所做的實驗是給電池通入干燥氣體測量產生的水量和改變流道形狀，分析水的傳輸情況。J. J. Baschuk等人^[6]，用數學模型模擬了電池水淹程度對性能的影響。現有的二維和三維數學模型，對PEM燃料電池的性能、內部水的傳遞和分布進行了模擬分析。基本都沒對重力加以考慮，有的只是在模型中提到，并沒有采用實驗的方法驗證重力對水的影響。

　　本文主要是對PEM燃料電池陰陽極不同的加濕情況下，實驗重力對PEM燃料電池陰極液態水傳遞的影響，從而影響PEM燃料電池的性能，設計了一些實驗方案，采用改變陰極和陽極上下擺放位置，突出重力對PEM燃料電池電流密度的影響。

1 理論分析

　　在數學模型的建立過程中，大多數人總是用質量守恒、動量守恒和能量守恒三大守恒方程。現在已經建立的數學模型中，大多數都用到了這三個方程。可是，在用到動量方程的過程中，很多人都忽略重力項的影響^[7-17]。

　　在PEM燃料電池動量方程中，要分析的流體主要是燃料氣體，氧化劑氣體和水等，它們屬于牛頓流體，不可壓縮流體，簡化后其動量方程的矢量形式為

　　式（1）就是動量守恒方程，簡稱動量方程，也稱為納維－斯托克斯方程。從方程中可以看出有重力項 ，我們認為重力項 在這個方程中的作用是不能忽略的。所以設計了關于重力對PEM燃料電池性能影響的實驗。

　　2? 實驗系統

　　在實驗中用的是2.24cm×2.23cm面積的單電池，膜電極組件是由Nafion115膜和鉑載量為0.4mg/cm2的電極組成，擴散層采用的是炭紙，MEA外面是兩個石墨板，用兩個鍍金的銅板夾緊。石墨板上是三排蛇形的流道。

　　在實驗中使用的測試儀是由美國電化學公司生產的MTS150測試儀，它可以測控電池的溫度，顯示流量和背壓。在這套測試系統中，反應氣體是通過外部的氣體加濕器進行加濕。調節氣體加濕的溫度從而控制氣體的濕度。加濕的溫度是通過加濕器上的溫度控制表控制。背壓是由背壓閥控制，電池加熱是通過安裝在單電池兩側的兩個加熱片，電池溫度是通過測量靠近電池中心的電極板溫度，電池外接電子負載，通過改變電子負載測量不同的電壓和電流實驗數據，根據實驗數據從而畫出極化曲線，分析其性能。測試系統如圖1所示。PEM燃料電池的幾何尺寸在表1中列出。

圖1? PEMFC測試系統示意圖

表1 PEM燃料電池的幾何尺寸

　　3? 實驗結果與討論

　　對電池內部水的分布有影響的主要因素：（1）電遷移作用。質子在從陽極向陰極傳遞的過程中會從質子交換膜的陽極側以水合氫離子的形式帶走一部分水，因此改變了質子交換膜內水的分布；（2）反擴散作用。由于陰極水摩爾濃度高于陽極，水就會從質子交換膜的陰極側向質子交換膜的陽極側擴散，這種對水的作用正好是和電遷移作用相反，一般情況是電遷移對水的作用大于反擴散的效果；（3）在陰極生成的水。電化學反應也會在陰極不斷產生水，水量和電流成正比；（4）反應氣體含水量。燃料和氧化劑氣體都是經過加濕處理的氣體，帶有水蒸氣，這也會帶給電池一部分水。

　　在大量的相關文獻中，提到的質子交換膜燃料電池單體陰陽極的位置擺放大多都是兩極板平行豎直放置，而且大多數人測試的重點是觀察溫度、壓力、加濕溫度等外部條件對質子交換膜燃料電池性能的影響。我們為了測試重力對電池內部陰極液態水排出的影響，從而得出重力對電池性能的影響。設計出如下實驗方案，陰陽極上下相對擺放，如圖2所示陰極在上，或如圖3所示陽極在上。利用陰極和陽極相對擺放位置的改變，觀察重力對質子交換膜燃料電池性能的影響^[18]。

圖2? 陽極在上

圖3? 陰極在上

圖4 0.85V下電流密度圖

　對應著陰極在上和陽極在上的擺放位置，做了幾組實驗，實驗條件是加濕溫度和電池溫度同步變化，其他條件和實驗結果如圖4-圖9所示。

圖5? 陽極在上陰極加濕排水示意圖

圖6? 陰極在上陰極加濕排水示意圖

　　圖4，圖7和圖8是不同輸出電壓，不同電池溫度下，電流密度的對比。圖4是在E=0.85V時不同條件下性能的對比。0.85V比較接近于開路電壓，受的極化影響是電化學極化。從圖4看，在溫度40℃和50℃的情況下，電池性能的優劣交錯分布；在60℃和70℃情況下，看似無規律,但是還是有章可循的，陰極不加濕（陽極加濕）的電流密度要比陽極不加濕（陰極加濕）的電流密度要好。造成這種情況的原因是陽極氣體不加濕引起陽極側水分少，影響了電阻率，因而影響了電流密度，同時由于是連續的測試，有大量的水分隨著溫度的升高帶入電池內部，造成陰極側水分過多，綜合造成上述結果。

圖7 0.65V下電流密度圖

圖7是在E=0.65V時不同條件下性能的對比。一般這個電壓是電池的工作電壓。從圖7中看出，陽極不加濕(陰極加濕)的性能明顯沒有陰極不加濕(陽極加濕)性能好，這主要是因為電池內部的水平衡情況不同。正常情況下，電池內部的水綜合傳遞方向是從陽極側向陰極側傳遞。在陽極不加濕的情況下，陰極側由于電池的反應產生的水和陰極氣體帶入電池內部的水分綜合，造成陰極側水分明顯過剩，而且沒有及時排出到電池外部，造成液態水的積聚，從而堵塞多孔氣體擴散層，影響氧化劑的傳遞，最終造成電池性能的下降；而在陰極不加濕，陽極加濕的情況下，這種水對傳質的影響明顯要小，由于陽極側有加濕氣體，不容易造成陽極側的脫水，而陰極側由于沒有加濕氣體，水分的主要來源是電池從陽極傳遞過來和電池反應生成的水，這些水基本上隨著陰極氣體及時的排出到電池外部。從圖7中還能看出隨著溫度的升高，電池的性能有所下降，這主要是實驗是連續進行的，造成電池內部水分隨著溫度的升高而積聚，所以影響了后面的性能。從圖7中還可看出陽極在上的電流密度明顯要比陰極在上的電流密度要好。陽極在上，陰極在下時，排水流道的底部是光滑的石墨材料，如圖5所示，液態水與流道之間的阻力小，隨著陰極剩余氣體流動，排出到電池外；陰極在上，陽極在下時，由于主要還是陰極排水，所以在陰極側形成的排水流道中，底部是氣體擴散層，如圖6所示，有很多的微孔，增加了液態水隨著氣體流動的阻力，而且很容易在氣體擴散層上形成一層水膜，阻礙氣體傳質。從而影響它的性能。

　　圖8與圖7的區別在于E=0.45V。如果不看坐標，只看圖形，圖7與圖8比較相似，顯示的結果也是相同的。可以看在電池的電流密度為中高區時，水對電池性能的影響效果是一樣的，所以才會產生相似的圖形。

圖8 0.45V下電流密度圖

　　圖9是電池在不同條件下的最大輸出功率比較。從圖中可以看出，只有在40℃和70℃陽極不加濕的情況下，陰極在上的性能要比陽極在上的性能好一點，效果也不是太明顯。尤其是70℃陽極不加濕的情況下，最大輸出功率非常小。而在40℃下陽極不加濕的功率比較高，原因是剛開始做實驗，電池內部陰極水分還不是很多，同時由于溫度比較低，水的飽和蒸汽壓也比較低，帶入陰極的水分比較少，使陰極水分的輸入與輸出達到了很好的平衡，沒有阻塞陰極氣體擴散層，從而沒有影響陰極的氣體傳質，所以電池表現出很好的性能。最大功率比較高的點是40℃，50℃和60℃陰極不加濕（陽極加濕）的條件下。在這種條件下，陰極不加濕解決了陰極水分過剩的問題，陽極加濕解決了陽極脫水的問題，所以性能比較不錯，但是在70℃時，水的飽和蒸汽壓非常的高，帶入電池內部的水分過剩，造成陽極的淹沒，從而影響了它的性能，出現如圖9所示的效果。縱觀全圖最大輸出功率數據，陽極在上的性能要比陰極在上的性能要好一些。

圖9 最大功率比較

　　4? 結論

　　（1）在同等條件下，陽極在上放置時，相同電壓下，PEM燃料電池電流密度要比陰極在上放置時大。
　　（2）在其他實驗條件不變的情況下，相同電壓下，陽極加濕（陰極不加濕）時PEM燃料電池電流密度比陰極加濕（陽極不加濕）電流密度大。
　　（3）陽極在上（陰極在下）的情況下，陰極內過剩的液態水比陰極在上（陽極在下）時容易排出到PEM燃料電池外部。
　　（4）在PEM燃料電池應用時，應考慮PEM燃料電池陰陽極的上下擺放位置。
　　（5）在建立PEM燃料電池數學模型時候，重力不應該被忽略。

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