鉅大LARGE | 點擊量:3207次 | 2019年08月30日
反應(yīng)氣體流量和背壓對PEM燃料電池性能的影響
孫紅,吳玉厚
(沈陽建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽110168)
摘要:目的優(yōu)化質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的操作參數(shù),提高PEM燃料電池的性能和穩(wěn)定性,降低成本。方法運用燃料電池測試站對有效面積為16cm2的PEM燃料電池單體的伏安特性和功率密度進(jìn)行了實驗,分析了空氣流量、氫氣流量和背壓對PEM燃料電池性能和功率密度的影響。結(jié)果試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):增大空氣流量,燃料電池的性能可以持續(xù)提高;增大氫氣的流量,電池性能先提高,但流量達(dá)到一定值后,性能幾乎不變;增大電池背壓,電池性能提高。結(jié)論電極的淹沒現(xiàn)象主要存在于PEM燃料電池的陰極;實驗條件下,氫氣流量存在最佳值。
目前,PEM燃料電池及其系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)取得顯著成果,但昂貴的成本仍然是其難以商業(yè)化的主要障礙。提高性能,降低成本是PEM燃料電池研究的主要方向之一。Wang和Liu等人以及吳玉厚等人實驗研究了操作參數(shù)對蛇形流道和交叉指狀流道PEM燃料電池性能的影響。Wang、Hakenjos和Liu等人通過測量局部電流密度研究了PEM燃料電池的性能,優(yōu)化操作參數(shù)。在理論模擬研究上,Liu、Wang、和Sun等分別建立了PEM燃料電池內(nèi)傳熱傳質(zhì)的二維、三維和二維兩相流模型,研究了操作參數(shù)和電池結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律的影響。這些研究成果對PEM燃料電池的優(yōu)化設(shè)計和性能的提高具有重要意義。
為了保證PEM燃料電池處于高性能狀態(tài),必須根據(jù)燃料電池的實際工作環(huán)境,選擇合理的操作參數(shù)。筆者對PEM燃料電池單體的性能和功率密度進(jìn)行了實驗。分析了電池壓力、氫氣流量和空氣流量對PEM燃料電池性能的影響。
1實驗及其裝置
筆者實驗中采用燃料電池測試系統(tǒng)來測量PEM燃料電池的伏安曲線和電壓變化曲線。這套測試系統(tǒng)可以通過計算機(jī)自動測量和控制燃料電池的加熱溫度、加濕溫度、背壓和反應(yīng)氣體流量。用加濕器來對氫氣和空氣加濕,調(diào)節(jié)加濕器的溫度來控制反應(yīng)氣體的濕度,質(zhì)量流量計測量反應(yīng)氣體流量,電加熱器給電池加溫和加濕后氣體保溫,背壓閥調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體出口壓力,電子負(fù)載測量燃料電池的電流和電壓。系統(tǒng)通過Labview來采集和儲存實驗數(shù)據(jù),同時該系統(tǒng)可以設(shè)置和讀取燃料電池的電流、電壓、氣體流量、背壓、電池溫度、氣體加濕溫度等參數(shù)。燃料電池測試系統(tǒng)基本組成見圖1。
實驗中采用有效面積為16cm2的PEM燃料電池,電池用Nafion112膜,催化劑鉑的載量為0.4mg/cm2,氣體擴(kuò)散層由多孔碳紙制成。MEA膜安裝在兩塊刻有蛇形流場的石墨板之間,兩塊石墨板外側(cè)夾裝兩塊鍍金銅板。實驗中涉及的PEM燃料電池單體的幾何參數(shù)見表1。
2實驗步驟
為了準(zhǔn)確操作實驗,并取得準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù),應(yīng)遵從一定的實驗步驟。
實驗中,為了確保每個實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,記錄實驗數(shù)據(jù)必須是在燃料電池系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定條件下進(jìn)行,因此必須選擇足夠長的相鄰數(shù)據(jù)記錄時間間隔。筆者通過對大量實驗和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分析,選擇了240s作為相鄰兩個數(shù)據(jù)記錄的時間間隔。
3實驗結(jié)果
本文的研究中共涉及三組實驗結(jié)果。每次實驗只改變其中一個操作參數(shù),而其余操作參數(shù)都不變,以此來研究這個操作參數(shù)對PEM燃料電池性能的影響。
3.1背壓的影響
背壓pFC對PEM燃料電池的伏安特性、功率密度和電壓的影響見圖2(圖中J為電流密度;U為電壓;P為功率密度)、圖3。從圖2可以看出,當(dāng)背壓從0.1MPa增大到0.26MPa時,PEM燃料電池的伏安特性逐漸得到改善,功率密度也在進(jìn)一步升高。根據(jù)能斯特方程:
式中:PH2、PO2分別為組分氫、氧的分壓;$S為反應(yīng)的焓變;E0為標(biāo)準(zhǔn)可逆電動勢。從式(1)可以看出,提高背壓能夠增大反應(yīng)氣體的分壓,提高燃料電池的電動勢,有利于電池性能的提高。圖3顯示了在不同電流密度條件下,背壓對燃料電池電壓的影響。在電流密度較小時,背壓對燃料電池電壓的影響不太明顯。但是隨著電流密度的增大,背壓對電壓的影響日趨明顯。因為增大電池的背壓,將顯著提高反應(yīng)氣體的傳遞速度,改善PEM燃料電池的性能。
3.2空氣流量的影響
空氣流量qair對PEM燃料電池伏安特性、功率密度和電壓的影響見圖4、圖5。圖4顯示,增大空氣的流量,PEM燃料電池的伏安特性和功率密度逐步提高。圖5顯示了不同電流密度下PEM燃料電池電壓隨空氣流量增加的變化情況。從圖中可以看出,隨著電流密度的增大,空氣流量對PEM燃料電池電壓的影響越來越明顯。這是因為,加大空氣的流量,提高了陰極氣體通道中氧氣的平均濃度,加速氧氣在電池陰極中的傳遞。同時,空氣流量增大,可以帶走電池陰極中更多的液態(tài)水,增大氧氣的傳遞速度。
3.3氫氣流量的影響
氫氣流量qH2對PEM燃料電池伏安特性、功率密度和電壓的影響見圖6、圖7。圖6顯示氫氣流量從100mL/min增大到200mL/min,電池性能和功率密度有大幅度提高,而從200mL/min到500mL/min時,PEM燃料電池的伏安特性和功率密度幾乎不變。圖中還可以看出,當(dāng)氫氣流量為100mL/min和電流密度為0.82A/cm2時,電池電壓迅速下降。從圖7中看出,氫氣流量的增大對PEM燃料電池電壓的影響不太明顯。在氫氣流量為100mL/min時,隨著電流密度的增加,氫氣消耗增加,當(dāng)電流密度達(dá)到0.82A/cm2時,輸入的氫氣量和陽極消耗的氫氣量相等,繼續(xù)增大電流密度,會導(dǎo)致電池電壓直線下降。
通過圖4和圖6可以看出:電池性能隨著空氣流量的增大一直提高。而增大氫氣流量時,電池性能先提高,當(dāng)氫氣流量達(dá)到一定值后,電池的性能幾乎不變。說明電池的淹沒現(xiàn)象主要存在于陰極中,增大空氣流量時,空氣可以從陰極中帶出液體水,提高陰極的有效孔隙率,使電池性能持續(xù)得到提高。
4結(jié)論
(1)升高電池背壓,PEM燃料電池的性能能得到提高;
(2)實驗條件下增大空氣流量,燃料電池的性能可持續(xù)升高;
(3)增大氫氣流量,電池的性能先提高,流量達(dá)到一定值后,性能幾乎不變,表明實驗條件下,氫氣存在最佳值;
(4)實驗現(xiàn)象表明電極淹沒現(xiàn)象主要出現(xiàn)在電池的陰極。其結(jié)果對優(yōu)化PEM燃料電池的反應(yīng)氣體流量和背壓、降低電池運行成本具有積極意義。