质子交换膜燃料电池的关键技术介绍

商业尺寸质子交换膜燃料电池性能实验研究林林，吴睿，张欣欣（1.北京科技大学机械工程学院热能工程系，100083北京，linlinustb.edu.cn）的性能，通过对极化曲线的测量，重点分析了操作温度与加湿温度对不同厚度质子膜含水量及电池阴极水泛滥的影响。结果表明，质子膜含水量及阴极液态水移除主要取决于加湿温度和操作温度的最佳匹配。当操作温度低于加湿温度时，电池性能随操作温度升高而提高；反之，电池性能随操作温度升高而下降。在相同电池温度和加湿温度下，Core57电池性能优于Core5621，因为较薄的Core57更容易保持膜的含水量。低操作温度下，较薄的Core57电池阳极或阴极仅需侧加湿即可维持膜的含水量，因此侧加湿时的电池性能优于两侧加湿时的。而对于较厚的Core5621，无论操作温度高低，阴阳极两侧需同时加湿才能保证膜的含水量；因此，对于采用较厚质子膜的商用燃料电池，操作时必须保证阴阳极同时加湿。

质子交换膜燃料电池具有操作温度低、启动基金项目：国家自然科学基金资助项目（50836001）。

迅速、能量密度高、结构设计简单等特点，特别适合定置型发电系统和传输工具的能源供应上。水管理是质子交换膜燃料电池的关键技术之，通常，反应气需加湿以维持质子交换膜足够的湿润性，才能保证氢离子在膜内的有效传输，但过高的反应气湿度及阴极反应生成液态水不能有效移除又可能导致阴极水泛滥发生，产生传质限制4.质子交换膜燃料电池的水管理可通操作条件的优化匹配实现。近年来，国内外燃料电池公司和研究机构对此开展了大量实验研究，但公开发表的多集中于反应面积<25cm2的小尺寸电池，对于适用于汽车等动力装置的反应面积在200~600cm2的商用质子交换膜燃料电池报道极少510.具有长流道的商用质子交换膜燃料电池在很多方面性能与小尺寸质子交换膜燃料电池不同，如：反应物的输运、膜中水的分布、液态水的本文实验研究了电池操作温度和反应气加湿温度对反应面积为256cm2的蛇形流场质子交换膜燃料电池性能的影响，为探析质子交换膜膜厚度对电池水管理和电池性能的影响，分别采用了2种不同厚度的质子交换膜Core5621和Core57加工单电池。该研究有助于进一步了解燃料电池尺寸对电池内部传输特性和电池性能的影响，也可为大尺寸燃料电池数学建模提供实验数据。

1实验1.1系统组成实验系统的详细介绍见13.实验系统由气体供应系统、流量控制系统、温度控制系统、增湿系统、电子负载系统、数据采集系统和单电池组成。气体供应系统提供氢、氧或空气作为阳极和阴极燃料，同时提供氮气用于在实验前后充入系统管路和单电池以排除其他气体。流量控制系统用以控制燃料入口流量。温度控制系统包括1个加热棒、T型热电偶和OmegaCN760000PID温度控制器，用于控制电池操作温度。增湿系统通过控制加湿瓶中水的温度调节燃料的入口加湿温度。电子负载系统和数据采集系统均集成于Ad-vancedScreenerTestStationHydrogenicsFCATSS-2000燃料电池测试平台内部，其最大输出功率2000W，最大输出电流400A，用于测量燃料电池极化曲线。在测试电池极化曲线时，设定电池操作电压恒定，最初电压设定为0.975V，每次实验按照0.05V递增。实验中保持阴阳极燃料入口化学计量比恒定，阳极为1.4，阴极为4.0.1.2电池材料和尺寸测试燃料电池由本实验室自组装。质子膜作为质子交换膜燃料电池关键组件，主要作用是隔离阴阳极燃料，防止电子从阳极穿过阴极，同时使质子从阳极疏运到阴极。质子在质子膜中的传输阻力与质子膜的含水量密切相关，在相同操作条件下，不同厚度的膜中水的传递和分布特性差异显著，因此膜厚度将影响其质子传输能力。本文分别使用反应面积为16cmX16cm的00尺瓦-TEXPRIMRA5621（Core5621）和GORE-TEXPRIMRA57（Core57）质子膜制成单电池。Core5621质子膜厚度为35pm，阴极催化层催化剂为Pt（0.6mg/cm2），阳极催化层催化剂为Pt、Ru合极和阳极催化层催化剂载量分别为0.4、0.2爪/唧2.气体扩散层采用00YANGH，ZHAO（编辑杨波）