（材料加工工程专业论文）风冷pem燃料电池堆研究.pdf

独创性声明 i l l l l fu l lr l l f l l l l l j ii i jijp l l l y 18 7 9 9 2 3 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：蒸丘璺日期：型 ：丝 学位论文使用授权书 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研川：豢r 遏翩c ：獬刎何， 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 燃料电池的高效率和它对环境的友好性使得其在便携电源上有很大的应用 前景。对于便携式电源，传统的燃料电池系统显得十分臃肿。为了简化传统的 燃料电池系统，风冷电堆成了一个可行的方法。风冷燃料电池电堆简化了电堆 中的冷却系统，空气压缩机或气泵等系统，加湿系统。这使得燃料电池在便携 式电源的应用上更加方便。系统的简化使得风冷电堆和传统电堆的操作条件有 较大差异，因此对风冷电堆的传热、传质规律进行探讨，以优化电堆的流场和 m e a 结构，在简化系统的同时又保持电堆高性能输出是非常必要的。本文主要 研究内容与结果如下。 ( 1 ) 分析了风冷电堆工作状态，探讨了其中的传热、传质规律，建立了简 化的热、质传输平衡模型。 ( 2 ) 通过模型进行模拟计算，认为在风冷电堆通常运行的温度范围3 0 7 0 内，电堆的散热以空气强制对流为主，辐射散热量和自然对流散热量远小于 强制对流散热量。这点和有的文献描述相差较大。同时，当电池运行温度一定 时，在电池结构强度和接触电阻允许的范围内适当增加开孔率，提高流道的长 宽比，可以提高风冷电堆的散热效率。电堆开孔率在6 0 7 0 之间，流道截面 积形状畈在1 4 1 8 之间电池的散热效率最佳。另外，g d l 的保水能力与g d l 的厚度和孔隙率有关。g d l 越厚，孔隙率越低，其保水能力也越强。在保证氧 气传输的前提下，在5 0 0 m a c m 2 0 6 v 工作时，g d l 厚度应该是0 7 m m ，孔隙率 为6 0 。 ( 3 ) 对不同流场及结构及不同m e a 特性的电池进行了实验研究。认为电 池的性能随着g d l 厚度的增加而增加，增加到最大值0 6 m m 时随着g d l 的厚 度增加而减小。对g d l 的疏水处理不仅可以在常规电池中有利于电池的排水， 还可以提高未加湿风冷电堆的性能；g d l 疏水程度为4 0 时，电池的性能发挥 至最大值。在同时处于低湿度状态下，w u t 复合膜的电池性能比n a t i o n 膜电 池的性能要好。 ( 4 ) 对风冷电堆的操作条件进行了优化研究。实验得出，实验风冷电堆的 最佳运行温度为6 5 摄氏度；实验风冷电堆的性能随着风量的增加而增加，当增 武汉理工大学硕士学位论文 加到2 6 8 m 3 m i n 时电池性能最佳，当风量进一步增加时，电池由于被冷却空气 带走过量的水分，电池性能降低；阳极采用d e a d e n d 模式可以使得阳极的水含 量增高提高电池的性能，节省燃料。 关键词：质子交换膜燃料电池；风冷燃料电池电堆；水汽传输；g d l 汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g he f f i c i e n c yo ff u e lc e l la n di t se n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc h a r a c t e r i s t i cf f a s b r o u g h ti tag r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do fp o r t a b l ep o w e r c o m p a r e d 、以t 1 1 p o r t a b l ep o w e r , t r a d i t i o n a lf u e lc e l l sa r et o ob u l k y i no r d e rt os i m p l i f yt r a d i t i o n a l f u e lc e l ls y s t e m , a i r - c o o l e df u e lc e l ls t a c kc a l lb eaf e a s i b l ew a yt os o l v et h ep r o b l e m a i r - c o o l e ds t a c kc a ns i m p l i f yt h ec o o l i n gs y s t e m ，a i rc o m p r e s s o r , a i rp u m ps y s t e m ， h u m i d i f i c a t i o ns y s t e ma n de t cw h i c hm a k ef u e lc e l lm o r ec o n v e n i e n ti nr e g a r do ft h e a p p l i c a t i o n0 1 1p o r t a b l ep o w e r t h es i m p l i f i c a t i o no ft h es y s t e mb r i n g sa b o u tm a j o r d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o nb e t w e e na i r - c o o l e ds t a c ka n dt r a d i t i o n a ls t a c k ，f o rt h i s r e a s o n , d i s c u s s i n gh e a ta n dm a s st r a n s f e rm e c h a n i s mt oo p t i m i z et h ef l o wf i e l do f t h es t a c ka n dt h es t r u c t u r eo fm e a ，s i m p l i f y i n gt h es y s t e mw h i l em a i n t a i n i n go u t p u t o ft h eh i g hp e r f o r m a n c eo fs t a c ka r ev e r y n e c e s s a r y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z et h ew o r k i n gc o n d i t i o no fa i r - c o o l e ds t a c k d i s c u s st h eh e a ta n d m a s st r a n s f e rm e c h a n i s m b u i l dt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rb a l a n c em o d e l ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l o gc o m p u t a t i o no ft h em o d e l ，w i t h i nt h eo p e r a t i n g t e m p e r a t u r e t h a t r a n g ef r o m 3 0 t 0 7 0 u n d e rt h ea i r - c o o l e ds t a c kn o r m a l w o r k i n gc o n d i t i o n , 1 1 1 eh e a td i s s i p a t i o np r i m a r i l yv i ea i rf o r c e dc o n v e c t i o na n d r a d i a t i o nh e a ta sw e l la sn a t u r a lc o n v e c t i o nh e a td i s s i p a t i o na r ef a rl e s st h a nt h eh e a t c a p a c i t yo fa i rf o r c e dc o n v e c t i o n t 1 1 i sd i f f e r sf r o mt h ed e s c r i p t i o nm a d eb yt h e l i t e r a t u r e m e a n w h i l ew h e nt h es t a c ka r ew o r k i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n t t e m p e r a t u r e ，w i t h i nt h ea l l o w e dr a n g eo ft h es t r e n g t ho ft h es t a c ka n dc o n t a c t r e s i s t a n c e ，a p p r o p r i a t e l yi n c r e a s i n ga p e r t u r er a t i oa n dl e n g t h w i d t hr a t i oo ft h ef l o w f i e l dc a ne n h a n c et h eh e a td i s s i p a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ea i r - c o o l e ds t a c k w h e nt h e 武汉理工大学硕士学位论文 t r a n s f e ro fo x y g e n ，t h et h i c k n e s so fg d ls h o u l db eo 7 m ma n di t sa p e r t u r er a t i oi s 6 0 w h e no p e r a t i n ga t5 0 0 m a c m 2a n d0 6 v ( 3 ) s t u d yd i f f e r e n tt y p e so fc e l lw h i c hc o n t a i n sd i f f e r e n tf l o wf i e l d ，s t r u c t u r e a n dm e a 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l lw i l l i m p r o v e 、硝t l lt h ei n c r e a s eo ft h e t h i c k n e s so fg d l ，w h e ni ti n c r e a s e st oi t sm a x i m u mv a l u e0 6 r n m , t h e ni tw i l l d e g r a d ew i t l lt h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so fg d l w a t e rr e p e l l e n tt r e a t m e n tt og d l c a nn o to n l yh e l pt od r a i no f fw a t e rf r o mc o n v e n t i o n a lc e l lb u ta l s oc a ne n h a n c et h e c a p a c i t yo fu n h u m i d i f i e da i r - c o o l e ds t a c k w h e nh y d r o p h o b i cd e g r e eo fg d l r e a c h e st o4 0 ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l lc a na c h i e v et om a x i m u ml e v e l t h e a b i l i t yo fr e s i s t a n c et od r yo fw u tc o m p o s i t em e m b r a n ei sm u c hb e t t e rt h a nt h a to f n a t i o nm e m b r a n e u n d e rt h es a n l ed r yc o n d i t i o n , p e r f o r m a n c eo ft h ec e l lu s i n g c o m p o s i t em e m b r a n ei sb e t t e rt h a nc e l lu s i n gn a t i o nm e m b r a n e ( 4 ) o p t i m i z a t i o nr e s e a r c ht oo p e r a t i n gc o n d i t i o no fa i r - c o o l e ds t a c kd r a wa c o n c l u s i o nt h a tt h eo p t i m u mo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ei s6 5 a n dt h a tt h ep e r f o r m a n c e o fe x p e r i m e n t a la l r - c o o l e dw i l li n c r e a s ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fa i rv o l u m e ，w h e n i n c r e a s i n gt o2 6 8 m 3 m i n , t h ep e r f o r m a n c eo fc e l li st h eb e s t , w h e na i rv o l u m e c o n t i n u et oi n c r e a s e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec e l lw i l ld e g r a d e ，b e c a u s ec o o l i n ga i r w i l lt a k ee x c e s sw a t e rf r o mt h ec e l l a n o d eu s i n gd e a d - e n dm o d e lc a ni n c r e a s ew a t e r c o n t e n t ，t h e r e b yi m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec e l la n ds a v i n gf u e l k e yw o r d s ：p e m f c ；a i r - c o o l e ds t a c k ；w a t e ra n dg a st r a n s p o r t ；g d l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题背景1 1 1 1 质子交换膜燃料电池1 1 1 2 质子交换膜燃料电池结构2 1 1 3 质子交换膜燃料电池的工作原理3 1 1 4 质子交换膜燃料电池堆的组成4 1 1 5 质子交换膜燃料风冷电池堆5 1 2 文献综述6 1 2 1 风冷燃料电池电堆研究现状6 1 2 2 扩散层中水的传输8 1 2 3 膜中水的传输9 1 3 选题目的和本文工作。9 1 3 1 选题目的9 1 3 2 本文工作lo 1 3 3 本章小结1 0 第2 章风冷电堆传热与传质模型1 1 2 1 电化学反应与供气量的平衡1 1 2 2 风冷电堆热平衡模型1 2 2 3 风冷电堆质子交换膜水平衡模型1 6 2 4 本章小结18 第3 章风冷电堆热量与水气平衡设计19 3 1 电化学反应与供气量19 3 2 风冷电堆热交换2 0 3 3 风冷电堆水平衡2 5 3 4 本章小结2 7 第4 章m e a 特性对电堆性能影响实验研究2 8 4 1 实验系统2 8 2 8 3 3 4 3p e m 对风冷电堆的影响3 6 4 4 本章小结3 7 第5 章操作条件对电堆性能影响研究。3 8 5 1 实验3 8 5 1 1 实验系统3 8 5 1 2 实验方法一4 0 5 2 风量的影响4 0 5 3 温度的影响4 3 5 4 阳极尾气排气方式对电池性能的影响4 5 5 5 本章小结4 7 第6 章结论与展望4 8 6 1 结论4 8 6 2 展望4 8 致谢5 0 参考文献51 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目5 4 理工大学硕士学位论文 1 章绪论 本章介绍了质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ) 的研究意义和工作原理，并简单介绍了风冷质子交换膜燃料电池电堆的国内外 研究现状，最后介绍了本文的研究工作。 1 1 课题背景 我们的居家、工作所需的大部分能源依赖化石燃料。虽然化石燃料是我们 社会生活的必需品，但是化石燃料的大量使用给我们的环境带来巨大的不良影 响。传统化石能源很多劣势：一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能 后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在所需端所获 得的效率只有3 3 3 5 ，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统化石的能源 利用方式给环境造成了巨大的污染。 由于能源和环境问题已经成为制约各国经济持续发展的重要因素，世界各 国加大了新能源技术的开发力度。质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 以其无噪音、 无腐蚀、寿命长、可靠性及维修性好、工作电流大、比功率高、能量效率高、 冷启动快、高效率、无污染日益受到各国的重视【1 1 。 1 1 1 质子交换膜燃料电池 燃料电池是一种电化学设备，它直接、高效的将反应物的化学能转换为电能。 从发电的角度来看，燃料电池是一种能量转换设备。燃料电池分为很多类，主要 有：碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p ! a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池 ( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 及质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 等。 1 8 3 9 年英国的g r o v e 首先发明了燃料电池。1 8 8 9 年m o o d 和l a n g e r 首先 采用了燃料电池这一名称，并获得2 0 0 m a m 2 电流密度。6 0 年代，燃料电池成 功地应用于阿波罗( a p p o l l o ) 登月飞船。 对于质予交换膜燃料电池，由于其不受卡诺循环限制，所以能量转换效率 高，无噪音、无腐蚀、寿命长、可靠性及维修性好、工作电流大、比功率高、 武汉理工大学硕士学位论文 能量效率高、冷启动快、高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本2 1 ， 成为世界各国研究的热点。 1 1 2 质子交换膜燃料电池结构 i集流板 ln 网；n 气体扩散层 群$ 磷棼嘲蝴髑虢孵静鹾帑$ 貉知一t 罅，种， 一端攀辫瓣鲻群獬饼g 霸 气体扩散层 u 幽u # ； 集流板 子交换膜 图1 1p e m f c 结构示意图 质子交换膜燃料电池的结构如图1 1 所示，一个燃料电池有一个负充电的 电极( 阳极) 、正充电的电极( 阴极) 和一个电解质膜组成。其中，电池的阴极 和阳极由集流板，反应气体流道，气体扩散层( g d l ) ，微孔层，催化层组成。 在这些部件中，集流板是起收集电子，向外输出电能的部件，有时还起固定燃 料电池的作用，其材料一般是导电率高，力学性能稳定的金属。反应气体流道 是供反应气体流动的通道，其作用主要是将反应气体分配最佳的条件下进行反 应，同时可以方便的将反应生成的水排出燃料电池内部。目前，流道的主要形 式有长直流道，网状流道，单蛇形流道，多蛇形流道，交指形流道，点状流道 等。气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，它由碳纸或碳布等多孔介质材 料构成，既利于反应物均匀分配和生产物的及时排除，也传递电子和热量。扩 散层功能有t 它支撑催化层和微孔层，因为催化剂或微孔层将涂在g d l 上，故 其起了支撑作 高的孔隙率和 电化学反应。 密度高达3 a * 的良导体：在 层是热的良导 气体扩散层孔 武汉理工大学硕士学位论文 层，它可以均匀的分配反应气体，提高电堆的性能。催化层的作用是使电池内 氧化剂与燃料发生电化学反应，催化剂的性能直接影响到质子交换膜燃料电池 的性能。现今，质子交换膜燃料电池催化剂大多采用n 或p t c 。由于p t 是贵 金属，因此这类催化剂的成本十分昂贵，其在燃料电池的成本中占有很大比例。 为降低成本，国内学者都在研究一种廉价的催化剂。目前为了减少p t 催化剂的 用量，一般将催化层做成粗糙多孔的结构，使其比表面积尽可能增大，以促进 氢气和氧气的电化学反应，同时减小了p t 的用量【3 】，从而降低成本。电解质膜 的作用是传导质子，是p e m f c 的关键部件，它直接影响电池的寿命和性能。 电解质膜具有隔膜和电解质两种作用。其隔膜作用体现在将阴阳两极分开，阻 止气体的相互串通混合后而发生爆炸。因此其气体渗透率要严格控制。电解质 膜为选择透过性膜，仅能让质子通过( 膜必须水合以保持足够的电导率) ，阻止 电子通过，从而使电子从外电路通过，对外做功。 1 1 3 质子交换膜燃料电池的工作原理 p e mm e m l m m e 图1 2p e m f c 工作原理示意图 3 武汉理工大学硕士学位论文 向阴极流道通入氧化剂同时向阳极流道通入燃料气体氢 应气体通入气体流道后，气体在扩散层里面扩散，扩散 一步分配。阳极气体扩散至催化层，氢在催化剂的作用 子和电子，质子穿过电解质膜到达阴极，电子通过外电 路，对负载做功后到达阴极；同时在阴极，气体扩散至催化层与从阳极传导过 来的质子和电子结合生成水，生成的水透过微孔层和气体扩散层通过阴极流道 排出电池外。其电池反应顺序为1 4 l ： 1 ) 氢气通过g d l 后在催化层上的催化剂作用下，氢分子分解为质子并释放出 电子。 阳极：2 h , j 锕+ + 匏一 2 ) 质子透过膜到达阴极催化层，电子则由外电路到达阴极。外电路由于电子通 过，形成电流，对外做功。 3 ) 在阴极，氧气通过阴极扩散层到达阴极催化层。此时在阴极催化剂的作用下， 氧与透过膜而来的质子、外电路的电子发生反应生成水。即： 阴极： q + 匏一+ 4 h + 专2 h 2 0 4 ) 总的反应式为： 2 h 2 + d 2 专2 h 2 0 1 1 4 质子交换膜燃料电池堆的组成 图1 3 燃料电池电堆结构 单电池的开路电压为1 伏左右，燃料电池在常规的运行条件时，其电池电 压约为0 6 0 8 v ，单电池的功率也不高。在现实的用电设备中，大多数电器的 4 目前燃料电池电堆大都采用此种结构。 1 1 5 质子交换膜燃料风冷电池堆 我们 ，如 易实现， 质子交换膜燃料电池工作时会同时产生一定的热量，如果质子交换膜燃料 电池的所有反应焓都转变为电能，则电堆的输出电压在水以液态形式排出时为 1 4 8 v 或水以气态形式排出时电压为1 2 5 v 。实际的电池电压与这两个值存在很 大的差别，原因是能量有一部分没有转化成电能，而是以热的形式放出来了。 常规燃料电池电堆会有专门的冷却系统来冷却电堆，冷却介质为液体，如水等。 这样会增加系统的复杂程度，尤其在小型燃料电池中。风冷燃料电池的冷却采 用冷却介质风来冷却电堆，如图1 - 4 所示： ab 图1 4 风冷电堆 风冷电堆的冷却有两种，第一种如图1 4 a 所示，其阴极流道既为反应气体 通道，同时也是冷却流道，称为阴极空气冷却法，；第二种如图l - 4 b 所示，反 应气体流道和冷却气体流道分开，为反应空气与冷却空气分离法。阴极空气冷 却法风冷电堆的结构简单，电堆主体结构相对第二种要小，但是电池的控制策 略将会很复杂。反应空气与冷却空气分离法风冷电堆的电堆主体体积相对第一 种电堆主体体积要大，这是因为反应空气与冷却空气分离以后，电池必须开出 独立的冷却气体流道，来对电堆进行冷却，其优点是其电堆运行的控制较阴极 空气冷却法电堆简单。 5 武汉理工大学硕士学位论文 堆研究现状 目前国内对于风冷电堆的文章不是很多，主要是对风冷电堆设计的专利。 国内专利主要是对风冷电堆的结构的设计。发明专利2 0 0 6 1 0 1 1 8 3 8 8 0 【6 】介绍了 一种低温运行的空气冷却型燃料电池系统的方法。该发明专利的低温运行空气 冷却行燃料电池系统的方法将冷却燃料电池堆所排出的一部分热空气循环利用 作为冷却空气，提高燃料电池堆的冷却空气进口温度，解决现有技术中空气冷 却型燃料电池堆在低温环境下运行存在的问题。但是，该专利对在常温运行的 风冷燃料电池电堆没有效用，对提高电池的性能没有给出解决方法。专利 2 0 0 6 2 0 0 5 0 7 0 2 1 7 1 介绍了一种风冷燃料电池，内容是将流场板的两侧焊接有散热 片，从而对电池进行散热。此种电池对燃料电池极板要求必须为金属，否则散 热片无法焊接。同时，焊接了散热片后，电池的体积将大大增加，不利于电池 的便携性。专利2 0 0 7 1 0 1 4 2 6 7 8 3 i s 介绍了一种风冷燃料电池，其创新点在于增 加了一个气体导引装置，方便电池的进气。专利2 0 0 8 1 0 0 1 1 6 7 2 7 【9 】涉及了一种 直接空气冷却质子交换膜燃料电池的单电池流场结构，该结构可以使空气直接 通入冷却通道。专利0 1 2 6 7 4 1 1 7 t 1 0 l 介绍了一种风冷燃料电池导流板，该导流板 使得空气能在常压下从导流板外直接进入导流板。专利2 0 0 8 1 0 0 2 0 0 8 3 5 t 1 1 】对风 冷燃料电池的电池极板进行了改进。改极板适应了轴流风机的叶面区域，从而 优化流道的深度与开孔率，这种电池极板采用流量非均等设计从而保证了电堆 不同部位流量的均匀，保证电池的均一性。国内专利都是对电池结构的描述 u 小川，没有理论的指导。 对于风冷电堆，电池中的单个因素对电池的影响很大，主要体现在气体扩 散层，膜，水汽管理等。代威【1 5 1 ，质子交换膜燃料电池水平衡研究，武汉理工 大学博士学位论文，2 0 0 8 研究了气体扩散层中的水平衡，其中涉及了炭纸亲、 疏水性能在一定流速的情况下对m e a 保水的研究。对电池不采用g d l ，膜的 水分保有量比理论上7 0 度饱和空气中含水量要低。采用4 0 p t f e 含量的g d l 后，膜的保湿比不采用g d l 时候的要好。温度对膜的保水也有很大影响，他在 文章中也提到，随着温度的升高，膜的保水性能下降。在对气体不同的加湿情 况，在一定温度下，加湿度越高，对膜的保水越有好处。 但是代威没有对炭纸厚度对保水性能影响进行研究，并且其文章也不是在 6 武汉理工大学硕士学位论文 风冷电堆的运行条件下测试所得。因此其g d l 对风冷电堆的运行情况下水平衡 还值得进一步研究。国内文献中还有对风冷电堆的风量控制的研究。王斌锐【1 6 】 等通过实验得到了不同电流密度和负载时，使电池输出最大功率的电堆温度最 佳值，但是其运行温度没有考虑流道形状对风冷电堆运行温度的影响。褚磊明 1 1 7 等，明确了风冷电堆温度是对电池性能影响最大的因素，因此，其设计了风 冷燃料电池的温度控制系统。在其实验中，得出了该电堆的最佳工作温度下的 电池性能曲线。该文章主要偏向于控制系统的研究，对燃料电池电堆本身的设 计没有提出更好的方法。 风冷电堆的温度控制的研究。风冷电堆中电堆的温度是影响电堆性能的关 键条件之一。随着电堆的温度升高，膜会变的很干，对电堆的性能不利。在d t s a n t ar o s a , i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fh y d r o g e ne n e r g y3 2 ( 2 0 0 7 ) 4 3 5 0 4 3 5 7 1 8 】文 章中提到了温度对风冷电堆的性能的影响，并且提出了其电堆的最佳运行温度。 但是文章中仅仅是针对文中的流场结构所得到的最佳温度，关于在其它的流场 结构下的运行温度没有涉及。在温度的控制方面，温度是受风量的影响，风量 的大小和流场结构决定了电堆所带走的热量，所以温度对电堆性能的影响不能 不考虑具体电堆的具体流道结构。 在风冷电堆中，电堆的供氧和冷却是由风量控制的。因此，风冷电堆的空 气流量研究就显得很必要。a s c h m i t z , j o u r n a lo fp o w e rs o u r c e s118 ( 2 0 0 3 ) 1 6 2 - 1 7 1 1 9 2 0 1 等人设计的电池和d t s a n t ar o s a , i n t e m a t i o n a lj o u r n a lo f h y d r o g e ne n e r g y3 2 ( 2 0 0 7 ) 4 3 5 0 4 3 5 7 等人设计了一个风冷电堆对风量的研究 也只是采取的控制风扇电压，从而得出最适合电堆的风扇电压，没有定量的给 出采取多大风量的情况下电堆性能最好。并且对风量研究局限于什么风量对于 其研究的电池的性能最好，没有考虑综合因素对电堆性能的影响。 对于风冷电堆的流场结构对电堆性能影响，a s c h m i t z ，j o u m a lo fp o w e r s o u r c e s11 8 ( 2 0 0 3 ) 1 6 2 1 7 1 等人中提出了一种自呼吸的燃料电池，认为阴极开 口率越大，其电池的性能越高。此时的空气是由于自然流动，因此，开孔率大 的性能最好。对于采用风扇等强制送风结构的风冷电堆，还没有相关结论。文 献也还没有具体的对风冷电堆的流场结构与性能的研究。 很多人对于自呼吸燃料电池进行了研列2 m 7 1 ，对于风冷电池的模拟w a n g y i n g t 2 s 2 9 】等利用三维模型，计算了自呼吸质子交换膜燃料电池运行时的空气流 速及其分布，电池的温度和电流密度分布等。其仅仅对自呼吸燃料电池运行时 7 武汉理工大学硕士学位论文 的状态进行了计算，缺乏实验验证。 目前风冷电堆的功率都不高。j i n f e n gw uj o u r n a lo f p o w e rs o u r c e s1 8 8 ( 2 0 0 9 ) 【3 0 】1 9 9 - 2 0 4 等人的文章中，他们设计了一个风冷电堆，风扇电压7 5 v 电堆温度 4 0 。c 活性面积5 0 c m 2 ，5 片，功率只有2 5 w ，功率密度不到1 0 0 m w c m 2 。 d t s a n t ar o s a , i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fh y d r o g e ne n e r g y3 2 ( 2 0 0 7 ) 4 35 0 4 3 5 7 等人设计了一个风冷电堆，风扇电压在5 0 v ，氢气压力2 5 0m b a r ，活性 面积3 8c m 2 ，9 片，其最高功率也只有9 5 w ，功率密度很低。 a s c h m i t z , j o u r n a lo f p o w e rs o u r c e s1 1 8 ( 2 0 0 3 ) 1 6 2 - 1 7 1 等人设计的电池， 其功率是1 w ，功率密度最高不到1 0 0 m w c m 2 。 常规燃料电池的功率密度可以达到4 0 0m w c m 2 以上，功率可达几百千瓦。 由此可以可知，现在的风冷电池不仅功率不高，而且其功率密度也很低。 对于风冷电池的模拟w a n gy i n g 等利用三维模型，计算了自呼吸质子交换 膜燃料电池运行时的空气流速及其分布，电池的温度和电流密度分布等。其仅 仅对自呼吸燃料电池运行时的状态进行了计算，缺乏实验验证。 1 2 2 扩散层中水的传输 气体扩散层是流道与催化层之间的多孔介质。其作用包括：1 支撑催化层和 微孔层，因为催化剂或微孔层将涂在g d l 上，故其起了支撑作用；2 分配气体。 电池工作时，由于g d l 具有较高的孔隙率和合适的孔分布，这有利于反应气体 经过扩散层到达催化层后参与电化学反应；3 电的良导体。燃料电池在电化学反 应时会产生电流，其电流密度高达3 a * c m - 2 ，g d l 是电的良导体，电阻在聊q c m 2 数量级；4 扩散层是热的良导体。在质子交换膜燃料电池的运行过程中，会同时 产生一定的热，扩散层热的良导体，可以将热很快的传导出来；5 在电池工作条 件下的稳定性较强。 在文献中，还没有专门对风冷电池的扩散层得文章，主要是在自增湿方面。 王诚在碳纸对自增湿燃料电池影响的文章中，对东立碳纸制备的膜电极进行了 研究，得出在炭纸疏水程度在2 0 4 0 之间，电池的性能随着疏水性能的升 高而增大，当疏水程度增大到6 0 时，电池的性能下降。王二东【3 1 】在其博士论文 中引用p a g 锄i l l l 3 2 j 和g i o 哂研1 3 3 】究的m e a 中p t f e 含量对电极性能影响的中提出， 随着g d l 中的p t f e 含量升高，电池的性能有所下降。这是因为p t f e 会使得气体 扩散通道变窄，碳纸的孔隙率降低，从而阻挡气体向催化层得扩散。 8 武汉理工大学硕士学位论文 c h l i u1 3 4 等对新型气体扩散层进行了研究，其方法是将炭纸中加入树脂和 碳黑等混合物质来制备扩散层，革新了扩散层的制备方法。 1 2 3 膜中水的传输 对于膜中水的传输，比较公认的膜中水的传输主要有以下三种形式【3 5 】： ( 1 ) 电拖和毛细压力引起的扩散1 3 6 ，3 7 】； ( 2 ) 电拖和浓差引起的扩散【3 8 。4 3 1 ； ( 3 ) 电拖和渗透压力引起的扩散删。 其前提条件是阴阳极的压力是相等的。对于由于电拖引起的水的传输，广 泛的在输运方程中得到认可；将膜视为多孔介质，e i k e d i n g 认为，膜的阴极水 浓度比阳极高，从而存在毛细压差，即有压力扩散，可以用d a r c y 定律解释。 目前，对于电拖+ 浓差引起的扩散，以f i c k 定律描述，扩散系数是由实验测量 取得。可是，f i c k 定律原来是用来解释溶质在溶剂中的扩散，水在膜中的传输 和此不同。在f i c k 定律对电拖+ 渗透压力引起的扩散的解释上，阴阳极存有压 差，压差会使水进行扩散，用此来修正的d a r c y 率描述。 1 3 选题目的和本文工作 1 3 1 选题目的 燃料电池理想的压力是3 个大气压，温度是8 0 度。为了增加燃料电池的电 化学反应速率和保证电池的输出效率，提高反应物的压力和温度是常采用的方 法。这些方法仅限于常规水冷电堆，这样的操作条件导致了电池必须要有额外 的辅助设备，例如气泵或气体压缩机和冷却循环装置。因此电堆周边设备就将 消耗很多能量，最终导致了燃料电池的输出效率的低下。虽然现在一般的燃料 电池的操作条件没有达到其理想的操作条件，但是，通常还是采用了气体压缩 机和冷却循环装置。这使得燃料电池系统变得十分臃肿。 燃料电池具有较高效率，它对环境友好。这使得其在便携式电源上也有很 大的应用前景。相对于便携式电源，传统的燃料电池系统显得十分臃肿。为了 简化传统的燃料电池系统，风冷电堆成了一个可行的方法。风冷燃料电池电堆 简化了电堆中的冷却系统，空气压缩机或气泵等系统，加湿系统。这使得燃料 电池在便携式电源的应用上更加方便。因此对便携式风冷电堆的研究是有必要 9 武汉理工大学硕士学位论文 的。但是现在的风冷电堆的性能还很低下，因此高性能风冷电堆的研究就有必要。 1 3 2 本文工作 ( 1 ) 风冷电堆热平衡模型。由于风冷电堆没有单独的冷却水道和常规的空 气流道，因此风冷燃料电池电堆的设计准则就必须重新制定。在风冷电堆设计 中，必须弄清电池运行的边界条件，根据边界条件来对电池的设计进行优化。 其中包括风冷电堆热边界条件的分析。风冷电堆的热量分布和所给的风量和流 道的类型有关，根据热分析可以对风冷电堆的风量和流道的尺寸进行设计。电 堆中水分分布的计算。风冷电堆的阴极没有加湿，为了保持电池的高性能，必 须使膜处于充分润湿的状态，尤其在高温时膜易处于脱水的状态下。所以计算 水在电堆中的分布对电堆的设计显得很有意义。 ( 2 ) 风冷电堆的结构优化。分析电堆的热量分布，优化流道结构，使得电 池结构更加合理，并制定相应的控制策略。 ( 3 ) 风冷电堆材料优化。g d l ( 厚度，亲疏水处理) 。不同厚度和疏水程 度g d l 对电堆的保水性能有差异，由于风冷电堆的阴极进气没有加湿，所以 g d l 的保水对电池的性能有至关重要的作用。膜( 复合膜) ，实验采用w h u t 生 产的复合膜，此种膜比较耐干，可以优化电堆的运行条件 ( 4 ) 制定控制策略。风冷电堆的温度和电堆水分的蒸发受风量的影响，制 定好的控制策略可以提高风冷燃料电池的性能 1 3 3 本章小结 本章简略介绍了质子交换膜燃料电池的基本概念，原理，主要特点，分类 等。同时介绍了质子交换膜燃料电池的发展历程和燃料电池的结构，风冷燃料 电池的结构，工作原理，和水管理等。 对风冷电堆的研究的文章不多。现有文献介绍了风冷电堆的控制方法和相 关的热模拟，没有文章介绍风专门对冷电堆的材料研究。本文研究了风冷电堆 的热平衡和水分布，结合实验对分冷燃料电池进行了研究。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章风冷电堆传热与传质模型 为了提高燃料电池的电化学反应速率和保证电池的输出效率，燃料电池需 要在一定的温度下运行，而且在此温度运行的过程中聚合物电解质膜中必须含 有足够的水分，来保证质子传导率，从而使电池达到一个高的性能。因此需要 保证电池的热平衡和水平衡。 本章对风冷电堆的运行温度和质子交换膜的水平衡进行了研究。 2 1 电化学反应与供气量的平衡 在风冷燃料电池电堆中，若阴极流道和冷却流道共用流道，则在电堆供应 的空气首先必须满足电池电化学反应所需要的量。因此，有必要计算电堆电化 学反应所需的气体供应量。 由燃料电池电化学反应的原理可知，两摩尔的氢气与一摩尔的氧气发生化 学反应，生成两摩尔的水。由于每摩尔氢气释放两摩尔的电子，所以在这个反 应中共释放了四摩尔的电子，即有4 f 的电荷。 设风冷电堆的功率为心，电池在额定工况下运行时的单片平均电压为k ， 单电池数量为以。 首先计算电堆的氧气用量。燃料电池中每摩尔氧气发生反应转移的电子数 为4 ，因此，电荷数= 4 f 0 ，的摩尔数，将这一数值除以时间并整理得： 0 ，用量= 之t o o l s 。1 4f 对于单电池数目为”的电堆为： 0 ，用量：尝聊d z s l 由于凡= 圪x i x n ，因此，= i l ，则 ，cx 刀 d 2 用量= 去t o o l s - * - - 3 4 8 x 1 0 。s 幽。 ( 2 - 1 ) 空气中氧气的含量为2 1 ，则 学位论文 该首先满足以上气体用量。 2 2 风冷电堆热平衡模型 ( 2 2 ) 方法求氢气用量，l 摩尔的氢气在 l m i n 一1 ( 2 3 ) 为只、