重力對(duì)PEM燃料電池陰極水管理影響
摘要：本文測(cè)試了重力對(duì)陰極水從PEM燃料電池內(nèi)排出的影響。通過(guò)改變陰陽(yáng)極擺放位置，采用改變電子負(fù)載測(cè)定輸出電壓和電流的方法，對(duì)應(yīng)著不同的加濕條件下，陰極在上和陽(yáng)極在上，利用電壓/電流密度/溫度畫出極化曲線。對(duì)應(yīng)著陰陽(yáng)極上下擺放位置的不同，電池溫度、陽(yáng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PEM燃料電池電極擺放陽(yáng)極在上時(shí)，重力有利于PEM燃料電池陰極液態(tài)水的排出；在PEM燃料電池電極擺放陰極在上時(shí)，重力不利于PEM燃料電池陰極液態(tài)水的排出。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜；燃料電池；重力；水管理
影響PEM（質(zhì)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(zhì)傳熱等內(nèi)部因素。其中一個(gè)較主要的影響因素就是內(nèi)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(nèi)部是一把雙刃劍，膜內(nèi)不能缺水，氣體擴(kuò)散層內(nèi)又不能被水堵塞，還要考慮過(guò)量水分的排出等。
很多人對(duì)PEM燃料電池內(nèi)部的水管理進(jìn)行研究，大多數(shù)是以模型的形式模擬其傳遞過(guò)程。Hua Meng[1]建立了一個(gè)三維模型來(lái)模擬MEA（膜電極組件）內(nèi)水連續(xù)傳遞過(guò)程。B. Carnes等人[2]利用一維和二維模型對(duì)PEM燃料電池內(nèi)部質(zhì)子和水進(jìn)行了分析。Wei-Mon Yan等人[3]用一維模型通過(guò)耦合溫度梯度和傳質(zhì)詳細(xì)分析了PEM燃料電池膜內(nèi)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(nèi)部的水管理。N.Rajalaks hmi等人[5]所做的實(shí)驗(yàn)是給電池通入干燥氣體測(cè)量產(chǎn)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(shù)學(xué)模型模擬了電池水淹程度對(duì)性能的影響。現(xiàn)有的二維和三維數(shù)學(xué)模型，對(duì)PEM燃料電池的性能、內(nèi)部水的傳遞和分布進(jìn)行了模擬分析?；径紱](méi)對(duì)重力加以考慮，有的只是在模型中提到，并沒(méi)有采用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證重力對(duì)水的影響。
本文主要是對(duì)PEM燃料電池陰陽(yáng)極不同的加濕情況下，實(shí)驗(yàn)重力對(duì)PEM燃料電池陰極液態(tài)水傳遞的影響，從而影響PEM燃料電池的性能，設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)方案，采用改變陰極和陽(yáng)極上下擺放位置，突出重力對(duì)PEM燃料電池電流密度的影響。
1 理論分析
在數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程中，大多數(shù)人總是用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒三大守恒方程?，F(xiàn)在已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型中，大多數(shù)都用到了這三個(gè)方程?？墒?，在用到動(dòng)量方程的過(guò)程中，很多人都忽略重力項(xiàng)的影響[7-17]。
在PEM燃料電池動(dòng)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(jiǎn)化后其動(dòng)量方程的矢量形式為
式（1）就是動(dòng)量守恒方程，簡(jiǎn)稱動(dòng)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(xiàng) ，我們認(rèn)為重力項(xiàng) 在這個(gè)方程中的作用是不能忽略的。所以設(shè)計(jì)了關(guān)于重力對(duì)PEM燃料電池性能影響的實(shí)驗(yàn)。
2? 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
在實(shí)驗(yàn)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(kuò)散層采用的是炭紙，MEA外面是兩個(gè)石墨板，用兩個(gè)鍍金的銅板夾緊。石墨板上是三排蛇形的流道。
在實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)試儀是由美國(guó)電化學(xué)公司生產(chǎn)的MTS150測(cè)試儀，它可以測(cè)控電池的溫度，顯示流量和背壓。在這套測(cè)試系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體是通過(guò)外部的氣體加濕器進(jìn)行加濕。調(diào)節(jié)氣體加濕的溫度從而控制氣體的濕度。加濕的溫度是通過(guò)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(guò)安裝在單電池兩側(cè)的兩個(gè)加熱片，電池溫度是通過(guò)測(cè)量靠近電池中心的電極板溫度，電池外接電子負(fù)載，通過(guò)改變電子負(fù)載測(cè)量不同的電壓和電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從而畫出極化曲線，分析其性能。測(cè)試系統(tǒng)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(cè)試系統(tǒng)示意圖
表1 PEM燃料電池的幾何尺寸
3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
對(duì)電池內(nèi)部水的分布有影響的主要因素：（1）電遷移作用。質(zhì)子在從陽(yáng)極向陰極傳遞的過(guò)程中會(huì)從質(zhì)子交換膜的陽(yáng)極側(cè)以水合氫離子的形式帶走一部分水，因此改變了質(zhì)子交換膜內(nèi)水的分布；（2）反擴(kuò)散作用。由于陰極水摩爾濃度高于陽(yáng)極，水就會(huì)從質(zhì)子交換膜的陰極側(cè)向質(zhì)子交換膜的陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散，這種對(duì)水的作用正好是和電遷移作用相反，一般情況是電遷移對(duì)水的作用大于反擴(kuò)散的效果；（3）在陰極生成的水。電化學(xué)反應(yīng)也會(huì)在陰極不斷產(chǎn)生水，水量和電流成正比；（4）反應(yīng)氣體含水量。燃料和氧化劑氣體都是經(jīng)過(guò)加濕處理的氣體，帶有水蒸氣，這也會(huì)帶給電池一部分水。
在大量的相關(guān)文獻(xiàn)中，提到的質(zhì)子交換膜燃料電池單體陰陽(yáng)極的位置擺放大多都是兩極板平行豎直放置，而且大多數(shù)人測(cè)試的重點(diǎn)是觀察溫度、壓力、加濕溫度等外部條件對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響。我們?yōu)榱藴y(cè)試重力對(duì)電池內(nèi)部陰極液態(tài)水排出的影響，從而得出重力對(duì)電池性能的影響。設(shè)計(jì)出如下實(shí)驗(yàn)方案，陰陽(yáng)極上下相對(duì)擺放，如圖2所示陰極在上，或如圖3所示陽(yáng)極在上。利用陰極和陽(yáng)極相對(duì)擺放位置的改變，觀察重力對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響[18]。
圖2? 陽(yáng)極在上
圖3? 陰極在上
圖4 0.85V下電流密度圖
對(duì)應(yīng)著陰極在上和陽(yáng)極在上的擺放位置，做了幾組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件是加濕溫度和電池溫度同步變化，其他條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-圖9所示。
圖5? 陽(yáng)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(duì)比。圖4是在E=0.85V時(shí)不同條件下性能的對(duì)比。0.85V比較接近于開路電壓，受的極化影響是電化學(xué)極化。從圖4看，在溫度40℃和50℃的情況下，電池性能的優(yōu)劣交錯(cuò)分布；在60℃和70℃情況下，看似無(wú)規(guī)律,但是還是有章可循的，陰極不加濕（陽(yáng)極加濕）的電流密度要比陽(yáng)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(yáng)極氣體不加濕引起陽(yáng)極側(cè)水分少，影響了電阻率，因而影響了電流密度，同時(shí)由于是連續(xù)的測(cè)試，有大量的水分隨著溫度的升高帶入電池內(nèi)部，造成陰極側(cè)水分過(guò)多，綜合造成上述結(jié)果。
圖7 0.65V下電流密度圖
圖7是在E=0.65V時(shí)不同條件下性能的對(duì)比。一般這個(gè)電壓是電池的工作電壓。從圖7中看出，陽(yáng)極不加濕(陰極加濕)的性能明顯沒(méi)有陰極不加濕(陽(yáng)極加濕)性能好，這主要是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的水平衡情況不同。正常情況下，電池內(nèi)部的水綜合傳遞方向是從陽(yáng)極側(cè)向陰極側(cè)傳遞。在陽(yáng)極不加濕的情況下，陰極側(cè)由于電池的反應(yīng)產(chǎn)生的水和陰極氣體帶入電池內(nèi)部的水分綜合，造成陰極側(cè)水分明顯過(guò)剩，而且沒(méi)有及時(shí)排出到電池外部，造成液態(tài)水的積聚，從而堵塞多孔氣體擴(kuò)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(yáng)極加濕的情況下，這種水對(duì)傳質(zhì)的影響明顯要小，由于陽(yáng)極側(cè)有加濕氣體，不容易造成陽(yáng)極側(cè)的脫水，而陰極側(cè)由于沒(méi)有加濕氣體，水分的主要來(lái)源是電池從陽(yáng)極傳遞過(guò)來(lái)和電池反應(yīng)生成的水，這些水基本上隨著陰極氣體及時(shí)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(shí)驗(yàn)是連續(xù)進(jìn)行的，造成電池內(nèi)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(yáng)極在上的電流密度明顯要比陰極在上的電流密度要好。陽(yáng)極在上，陰極在下時(shí)，排水流道的底部是光滑的石墨材料，如圖5所示，液態(tài)水與流道之間的阻力小，隨著陰極剩余氣體流動(dòng)，排出到電池外；陰極在上，陽(yáng)極在下時(shí)，由于主要還是陰極排水，所以在陰極側(cè)形成的排水流道中，底部是氣體擴(kuò)散層，如圖6所示，有很多的微孔，增加了液態(tài)水隨著氣體流動(dòng)的阻力，而且很容易在氣體擴(kuò)散層上形成一層水膜，阻礙氣體傳質(zhì)。從而影響它的性能。
圖8與圖7的區(qū)別在于E=0.45V。如果不看坐標(biāo)，只看圖形，圖7與圖8比較相似，顯示的結(jié)果也是相同的?？梢钥丛陔姵氐碾娏髅芏葹橹懈邊^(qū)時(shí)，水對(duì)電池性能的影響效果是一樣的，所以才會(huì)產(chǎn)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(yáng)極不加濕的情況下，陰極在上的性能要比陽(yáng)極在上的性能好一點(diǎn)，效果也不是太明顯。尤其是70℃陽(yáng)極不加濕的情況下，最大輸出功率非常小。而在40℃下陽(yáng)極不加濕的功率比較高，原因是剛開始做實(shí)驗(yàn)，電池內(nèi)部陰極水分還不是很多，同時(shí)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(dá)到了很好的平衡，沒(méi)有阻塞陰極氣體擴(kuò)散層，從而沒(méi)有影響陰極的氣體傳質(zhì)，所以電池表現(xiàn)出很好的性能。最大功率比較高的點(diǎn)是40℃，50℃和60℃陰極不加濕（陽(yáng)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(guò)剩的問(wèn)題，陽(yáng)極加濕解決了陽(yáng)極脫水的問(wèn)題，所以性能比較不錯(cuò)，但是在70℃時(shí)，水的飽和蒸汽壓非常的高，帶入電池內(nèi)部的水分過(guò)剩，造成陽(yáng)極的淹沒(méi)，從而影響了它的性能，出現(xiàn)如圖9所示的效果。縱觀全圖最大輸出功率數(shù)據(jù)，陽(yáng)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(jié)論
?。?）在同等條件下，陽(yáng)極在上放置時(shí)，相同電壓下，PEM燃料電池電流密度要比陰極在上放置時(shí)大。
?。?）在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，相同電壓下，陽(yáng)極加濕（陰極不加濕）時(shí)PEM燃料電池電流密度比陰極加濕（陽(yáng)極不加濕）電流密度大。
?。?）陽(yáng)極在上（陰極在下）的情況下，陰極內(nèi)過(guò)剩的液態(tài)水比陰極在上（陽(yáng)極在下）時(shí)容易排出到PEM燃料電池外部。
?。?）在PEM燃料電池應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮PEM燃料電池陰陽(yáng)極的上下擺放位置。
?。?）在建立PEM燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型時(shí)候，重力不應(yīng)該被忽略。
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