低流速燃料電池重力輔助排水.docx

1、§布矣祐支？低流速燃料電池重力輔助排水裴后昌L涂正凱七劉志春l沈俊L邱子朝l劉帆L劉偉|(1華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430074；2武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.湖北武漢430070)摘要：實(shí)驗(yàn)研究了反應(yīng)氣體低流速下質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)液滴自身重力對電池性能的影晌 結(jié)果顯示.自身 重力有利于液滴脫離氣體擴(kuò)散層.使液態(tài)水有效排出電池堆 電池水平放置陰極向下時(shí).液滴重力與其脫離氣 體擴(kuò)散層方向一致.電池性能最佳；電池豎直放置時(shí).液滴重力與氣體將其吹掃出電池方向一致.其向外排水 能力最強(qiáng)反應(yīng)氣體流速較低時(shí).土池在不同放置方式下.提高其溫度.電池性能上升；電池豎直

2、放置時(shí).氣 體加濕對電池性能影響不大電池測試時(shí).應(yīng)該避免電池陰極水平向上關(guān)被詞：燃料電池；排水；低流速；重力:水管理1X)1： la 3969/j issn. 0438-1157. 2014. zL 067中圖分類號：TM91L4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文卓編號：04381157(2014)5141506Low gas velocity of PEMFC aided by gravity water drainagePEI Houchang1 , TU ZhengkaP , LIU Zhichun* , SHEN Jun1 , QIU Zizhao】,LIU Fan*, LIU Wei1(1 Schoo

3、l o f Energy and Pouvr Engineering , Huazhong Uniirersity of Science and Technology»Wuhan 430074, Hubei, China Stale Key Laboratory of Advanced Technology for MaterialsSynthesis and Processing Wuhan University of Technology Wuhan 430070* Hubei» China )Abstract： Low gas velocity in proton e

4、xchange membrane fuel cell (PEMFC) can be occurred as gas distribution inconformity. Low gas velocity of PEMFC aided by gravity water drainage was investigated experimentally. It released that gravity can help droplets separate from gas diffusion layer (GDL) which help the liquid water drainage from

5、 PEMFC stack too. The experiment released that the performance of stack will be the best when the cathode downward and the droplet gravity accordance to the orientation of the droplet separate from GDL； Gravity drops consistent with the direction of purge gas in the PEMFC stack when the channel was

6、vertical which improved the water management. In different orientation of PEMFC stack channel the output of stack would be increasing as the temperature rising when the reaction gas flow rate was low. The gas humidification had little effect on stack performance when the channel was vertical. It sho

7、uld be avoided that the cathode was horizontal and upwards when the stack was working.Keywords： fuel cells； drainage； low velocity： gravity； water management20140211收到初稿，20140221收到修改稿.聯(lián)系人：劉偉第一作古：裴后呂(1984_),男，博士研 究生基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2O12AAUO6O16).Kecei%vd date； 2014-02-11.CorrespoiKliii author： Prof

8、. LIU Wei, wiubust. edu. cn Foundation item： supported by the National High Technology Research and Development Program of China (2012AA1106016).引言質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將儲(chǔ) 存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 PEMFC中水在電池陰極生成.若水無法有效排除 電池外.則會(huì)導(dǎo)致水淹電極.造成電池輸出功率低 下甚至導(dǎo)致電池失效.因此水管理對燃料電池的穩(wěn) 定運(yùn)行起重要作用”-3。常規(guī)氫空燃料電池中.利 用過量反應(yīng)氣體將電池內(nèi)的水吹離電

9、池.該方法要 求流場板流道內(nèi)氣體流速較高.國內(nèi)外蘇此水管理 方法進(jìn)行了較多研究“司，但是.利用過量反應(yīng)氣 體進(jìn)行水管理會(huì)導(dǎo)致電池堆反危氣體供應(yīng)量較大. 不利于燃料利用率的提高若反應(yīng)氣體過量系數(shù)靛 低.電池流道內(nèi)氣體流速相應(yīng)降低.水管理?xiàng)l件變 惡劣同時(shí).燃料電池堆在運(yùn)行時(shí).由于各單電池 氣體分配不話勻.或單電池內(nèi)局部集道堵水.均會(huì) 導(dǎo)致局部單電池內(nèi)氣體流速過低或缺氣W5：這 些情況的發(fā)生.會(huì)造成整個(gè)燃料電池堆形成性能短 板或者電池的損壞為實(shí)現(xiàn)燃料電池的高性能穩(wěn)定運(yùn)行.必須對 低流速下燃料電池的運(yùn)行特性盤行研究一 土文通過 實(shí)驗(yàn).研究了電池在低流速下，依靠液滴重力輔助 排除水時(shí)不同操作條件對電池運(yùn)

10、行性能的影響O1實(shí)驗(yàn)材料和方法本實(shí)驗(yàn)利用石墨板設(shè)計(jì)制作單電池.如圖1所 示 其中陰陽極流場均為直流道.流道寬2 0mm、 深10mm、岸寬2 0mm電池活性面積為20 cn?。 燃料電池在運(yùn)行時(shí).放出大量熱.溫度分布不均會(huì) 對電池的性能產(chǎn)生很大影響.為避免電池出現(xiàn)熱點(diǎn) 對電池的性能產(chǎn)生影響.陰陽極石墨板背面設(shè)置有 冷卻水流道.電池工作時(shí).通過冷卻液對電池進(jìn)行 溫度控制.使電池溫度更加均勻 本實(shí)驗(yàn)MEA采 用商用膜電極.碳紙厚度為2X10T m.陰極為 30%疏水.陽成為20%疏水.屎子交換膜的厚度為 Z 5X1O-5 m.陰、陽極鉗裁量均為Q4mgcmT。測試中單電池陰陽極冷卻水流道通入恒溫

11、水，監(jiān)測單氟池不同電池處溫度，保證電池運(yùn)行時(shí) 溫福在較小范圍內(nèi)波動(dòng) 測試昇如下3種方案進(jìn) 行.方案a.將電池流道水平放置.電池陰極向 上:陽極向下.此時(shí)液滴重力指向?；瘜?與反應(yīng) 氣標(biāo)沿流道方向垂直：方案b.電池流金水平放 置.電池陰極向下.曲極向上.此時(shí)液滴重力與脫 離«散層方向一致.與反應(yīng)氣體沿流道方向垂直； 方案c電池流道點(diǎn)直放置5o圖1單電池及測試系統(tǒng)Fig, 1 Single cell and testing system通過計(jì)算.得出了不同氣體流量下流道內(nèi)流量 的分布規(guī)律.如圖2所示 從圖中可以看出.當(dāng)氣 體流量為7 20 L-min-1時(shí).電池內(nèi)各流道氣體流量 的差值在

12、q 032 L-mini以內(nèi)；當(dāng)氣體流量為Q 36 LminT時(shí).電池內(nèi)各流道流量值基本一致 因此. 實(shí)驗(yàn)中.單電池內(nèi)各流道氣體流量可以近似計(jì)算為v = Q/5 s 式中Q為氣體流量：$為流道橫截面積.本實(shí)驗(yàn) 單電池流道橫截面積為2X107m2反應(yīng)氣體采用 氧氣.當(dāng)氣體流量為o. 36Lmin'時(shí)流道內(nèi)氣體 流速為0. 5 mst.此時(shí)氣體過量系數(shù)不到L 05。圖2單電池各流道流量分布Fig 2 Flow distribution of each channel2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2, i電池基本性能圖3為3種方案相同操作條件下電池極化曲 線 從圖中可以看出.方案b電池電壓最高，方案 c電

13、壓最低 當(dāng)電池在方案a運(yùn)行時(shí).陰極菱成水 由于自身重力的作用而附著卷氣體擴(kuò)祐層上.氣體 吹掃力需克服液滴在電池內(nèi)的我滯力將水排3：方 案b運(yùn)行時(shí).水的重力方向與液滴脫離擴(kuò)散層表面進(jìn)入流道的方向一致.重力輔助水排出擴(kuò)散層.故 方案b電池內(nèi)水的排出要優(yōu)于方案a：方案c運(yùn)行 時(shí).電池內(nèi)水的重力方向氣體吹掃的方向與水排 出電池外方向一致.此時(shí)電池向外排水能力最強(qiáng) 在燃料電池內(nèi).液滴脫離擴(kuò)散層表面的能力在方案 b下最佳.氣體擴(kuò)散層被液滴覆蓋概率最小,測試 中電壓最高：方案c中液滴排出電池外的能力最 佳.但是若反應(yīng)氣體流量過大.氣體將過量水帶出 電池外.電池性能不佳在電池運(yùn)行時(shí).液滴自身 重力將影響電池排

14、水能力.這為燃料電池在低流速 下的運(yùn)行提供了可能2. 2低流速電池運(yùn)行特性圖4為電池在方案a與b.氣體流速為 0. 5 m s'1時(shí)的運(yùn)行特性。從圖中可以得出.方 案a運(yùn)行時(shí).電池電壓在運(yùn)行至1.3 min時(shí)出現(xiàn)瞬 時(shí)增大.然后電壓緩慢恢復(fù)至增大前的值.其原因 為：此時(shí)電池內(nèi)水聚集堵塞流道.隨著流道內(nèi)堵塞 段氣體壓力增加.電池性能升高.氣體繼續(xù)通入. 水被吹出流道.電池性能恢復(fù) 當(dāng)運(yùn)行至2 2 min 時(shí)電池電壓出現(xiàn)突降方案b中電池穩(wěn)定運(yùn)行oM 至1. 3min時(shí)電壓出現(xiàn)突降 這是由于電池在流速 較低時(shí)（Q5msT）氣體對電池內(nèi)水的吹掃力 較小.水平測試電池容易產(chǎn)生水的積累.導(dǎo)致電池

15、內(nèi)水淹.電池電壓發(fā)生突降由于液滴的重力與反 應(yīng)氣體吹掃力同向.方案c運(yùn)行時(shí).沒有出現(xiàn)因?yàn)?水的積累而導(dǎo)致的電壓波動(dòng)及突降由上述分析可 知.通過液滴的重力作用.可以使電池在較低流速current density/mA cm '圖3電池極化曲線Fig 3 Polarization curve of cell1.00.90.80.70.60.5040.30.20.1r"1作電流密度：!50(hnA cm- 氣體流速:0.5m s-00.51.01.52.02.53.0I作電流密度： cm : 氣體流速:0.5m S'*0.4081.21.62.077min77min(a)

16、case a(b) ca* bI ft電流密度：l50()n)A cm- 氣體流速0.5m s*0.700.65/ <).6(1| 0.55§ 1).501)450.4077min(c) case c圖4低流速電池運(yùn)行特性Fig 4 Characleristic of low mass flux2. 4 不同溫度低流速電池性能圖5為氣體流速為q 5 mst時(shí)不同溫度下的 電池極化曲線從圖中可以看出方案卜中電池ou 溫度越高電池電壓越高 當(dāng)工作電流密度為600 mA cm"時(shí).不同運(yùn)行溫度下電池電壓差值小于q 03 V隨著工作電流密度的升高.不同溫度下電壓差 值變大方案

17、a中.當(dāng)電流密度在700 mAcm"之前.電池在40C時(shí)的性能要高于其在60T時(shí)的性 能 其原因是：當(dāng)電池在6(rc運(yùn)行時(shí).氣體擴(kuò)散層 被水覆蓋.反應(yīng)活性面積減小.電池性能降低.隨 著電池的運(yùn)行.當(dāng)工作電流密度增加至700 mA- cm 擴(kuò)散層上的水被沖出了電池.電壓出現(xiàn)了跳 躍.電池性能升高在測試方案c中.不同溫度下 電池性能穩(wěn)定運(yùn)行溫度越高電池性能越高OA 忘SQA =8r，4=() 5m s 1RH: 100% back pressure: 00 200 400 600 800 100()12001400160018009X76O.O.O.O.A、5tsoA=:o./mA an

18、 '(c) casec圖5不同溫度下電池性能Fig, 5 Performance of different temperature2, 5加濕對電池性能影響圖6為反應(yīng)氣體加濕對電池性能的影響從圖 中可以看出.氣體不加濕時(shí)電池性能明顯低于反應(yīng) 氣體加濕時(shí)電池性能 方案&測試時(shí).電池反應(yīng)氣 體加濕與不加濕性能相差較大.電池豎直放置時(shí). 兩者性能相差不大因此.電池豎直放置時(shí).氣體 加濕對電池性能影響不大圖6 (d)為氣體不加 濕.流道內(nèi)氣體流速為o. 5ms-'時(shí).電池性能曲 線從圖中可以看出.流道氣體流速較小且不加濕 時(shí).方案b電池測試性能最佳.方案a性能最差 電池反應(yīng)氣體

19、不加濕時(shí).降低反應(yīng)氣體流速能提高 電池性能.電池水平放置陰極向下時(shí)的性能要高于 其他放置方式下的性能3結(jié)論本文通過實(shí)驗(yàn),研究了液滴自身重力對不同反 應(yīng)氣體流速下電池性能的影響.得出以下結(jié)論：(1) 液滴重力有利于液滴脫離氣體擴(kuò)散層:有 效排出電池堆；(2) 電池水平放置陰極向下時(shí).液滴重力與其 脫離氣體擴(kuò)散層方向一致.電池性能最佳：電池豎 直放置時(shí).液滴重力與其排出電池方向一致.電池 向外排水能力最強(qiáng)：(3) 反應(yīng)氣體流速較低時(shí).電池在不同放置方 式下.提高其溫度.電池性能上升：電池豎直放置 時(shí).氣體加濕對電池性能影響不大:200 400 600 800 1000 1200/mA cnr?(a

20、) case a0.51.00.98 7 6 o.o.o. A133SCA =88 7-6 o.o.o, A/曹一 oa0200 400 600 800 1000 12000.51.00.90 9 8 7 6 5LO.O.O.O,0.>尊=CA =81.0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600,不加濕 加濕'I休流速:0.5m - s-» 電池溫度：60】；0.90.80.6/mA cnr：(b) cascby/mA cm :(d) ncrtbrniance comparison0-4 0 200 400 600 80() I IKK)

21、1200 1400 1600氣體流速:0.5m s- 電池溫度：60T.反應(yīng)氣體不加濕j/mA cm :(c) case c圖6加濕對電池性能的影響Effect of humidification on cell performanceFig. 6(4) 電池測試時(shí).應(yīng)該避免電池陰極水平 向上OReferences1 Tu Z K. Zhang H N. Luo Z P Liu J. Wan Z M, Pan M. Evaluation of 5kW proton exchange membrane fuel cell stack operated at 95C under ambient p

22、ressure j J. Pourr Sources. 2013, 222： 277-2812 Li Q Zhang H N. Tu Z K Yu J. Xiong C. Pan M. Impregnation of amine-tailored titanate nanotube sinpolymer electrolyte membranes J J. Mrmb礦.Sci. 2O12, 423/ 424： 284-2923 Wang Y Chen K S. Mishler J Cho S C Adrohcr X C. A review of polymer electrolyte memb

23、rane fuel cells： technology* applications* and needs on fundamental research J. Appl. Energ. . 201U 88： 98M0074 Dai W Wang H. Yuan X Z Martin J J Yang D. A review on water balance in the membrane electrode assembly of proton exchange membrane fuel cells J. Int. J. Hydrogen Energy. 2009, 34 (23)： 946

24、1-94785 Pemg S W Wu H W. Non-isothermal transport phenomenon and cell performance of a cathodic PEM fuel cell with a baffle plate in a tapered channel J. A ppi. Energ. 2011. 88: 52-676 Wan Z M, Liu J Tu Z K Pan M, Water recovery and air humidification by condensing the moisture in the outlet gas of

25、a proton exchange membrane fuel cell stack J . Appl. Therm. Eng. 9 2012. 42： 173-1787 Yu Y. Tu Z K> Zhan Z G. Pan M, Gravity effect on the performance of PEM fuel cell stack with different gas inlet/ outlet positions J hit. J. Energ. Re. 2012. 36 (7). 845-8558 Ma H P Zhang H M. Hu J Cai Y H. Yi B

26、 L. Diagnostic tool to detect liquid water removal in the cathode channels of proton exchange membrane fuel cells J J. J. Power Sources 2006 162： 469-4739 Cho E- Ko J J, Ha H Y. Hong S A. Lee K Y. Effects of water removal on the performance dtradaiion of PEMFCs repetitively brought to V°P J. J. Electrochem. Sg 2004 151 (5)： A661-A66510 Lee S Y, Kim S U. Kim H J. Water removal characteristics of proton exchange membrane fuel cells using a dry gas purging method I J . J. Power Sources 2008 180： 784-79011 Esposito A. Montello A D. Guezennec Y G. Pia