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环境压力下空冷质子交换膜燃料电池电堆的操作特性

注意：

.单电池的顺序对于空冷电堆的影响可以忽略。

.对GDL层的聚四氟乙烯的厚度和含量进行了优化。

.燃料电池的温度分布应该在合适的范围之内。

摘要：

风冷质子交换膜燃料电池简化了传统的冷却系统和空气供应系统。三个由不同电池单体组成的电堆用来研究气体扩散层中PTFE的含量，空气的流速，点堆的温度对于电堆性能的影响。实验结果表明：GDL层如果取合适的厚度和有适当的PTFE含量的话，电池的操作性能可以得到优化。单电池顺序对于电堆性能的影响可以忽略。在温度为常温，电流密度为150时可以在电堆内部达到热平衡。电堆的输出功率随着进入电堆的空气流量的增加而增加。然而，当空气流速超过44.7或者电堆的温度超过65时电堆的性能开始下降。

1.介绍

质子交换膜燃料电池是一种能量转换装置，直接将储存在氢气和氧气内部的化学能转化为电能的装置。PEMFC用来作为便携式电源，传感器，医疗设备的电源是很有前景的，他被作为21世纪清洁高效能源的不二之选。传统燃料电池的效率只有，其余的能量被以热量的形式释放。PEMFC的热量将会上升很快，如果产生的热量没有被及时的连续的带走。单电池的温度持续上升就会导致交换膜脱水，就会导致质子的传导率下降，导致燃料电池的性能下降，最终对燃料电池产生不可逆的破坏。因此必须要把足够的注意力用来设计一个高效的冷却系统。为了达到较高的电池效率，PEMFC的交换膜应该保持适当的含水量，以确保质子的传导效率，传统的燃料电池电堆应该有一个加湿系统用来给反应气体加湿。所以，必须给燃料电池电堆增加额外的辅助系统，这样就会增加电池系统的复杂性，降低它作为便携式电源的适用性。空冷燃料电池系统可以简化冷却系统，加湿系统，空气压缩供给系统。特殊的通道已经被设计出来了，可以同时作为冷却系统和空气供应系统，这样提高了它作为便携式电源的适用性和便利性。

大量的研究努力，包括数据建模和实验研究，都是对于空冷燃料电池的。Ying研究了电池内部气体通道布局对于电池性能的影响，结果表明在阴极通道的宽度在3mm（开口率为）的时候可以获得一个最优的性能。Schmitz et al研究了一个电池单体，结果表明:阴极的进口尺寸还有气体扩散层的特性对于电池性能有重要影响。显示在开度时的流速下效率最高。GDL层的材料特性是亲水的还是厌水的对于电池性能的影响不大。最后，作者给两条关于空冷电池设计的要求。Ous研究了空冷PEMFC的水管理。结果表明气体的化学计量和水在内部通道内的运输没有多大关系。Hottien研究了空冷燃料电池的冷启动性能。他们发现电池产生的冷水会使电池不可逆的保持在一个较低的温度。在膜开始处于干燥的前提下，自然空冷的电堆可以在-5的时候启动。空气供给燃料电池效率较低输出功率较低，这就限制了他的适用性。相反，空气冷却燃料电池通常在阴极开口处设置有几个风扇强制加快空气的流动，这样可以保证有足够的氧化剂供应和冷却电池，最后可以使电池的功率范围在300W-4KW之间。Wu设计了一个 电池单体和由五个单电池组成的电堆来研究关键运行工况时的电池性能。结果表明电池的温度和氢气的加湿程度对于减小电池的欧姆阻抗有至关重要的作用。研究还表明对内部阴极水通道进行亲水的处理可以提高水管理的效率。Rosa研究了不同的运行因素对于一个8单电池电堆的影响，他们得出结论：当电池的空气对流由自然对流改为强制对流时电池性能显著提高，还有电池性能实际上受氢气压力的影响较小。Sohn分析了相关的湿度、温度、气体反应物的比例对于电池性能的影响。Kim研究了阴极通道的尺寸和运行环境对空冷燃料电池的影响。结果表明：电池性能在温度正常的情况下会随着阴极通道尺寸的减小而提高。由于冷却需要很大的流量因此限制了阴极冷却通道进一步的减小。相应的气体流通密度和气体湿度也会随着内部通道的减小而减小。

尽管自然空冷和强制空冷的燃料电池都被研究过，但是对于提高电池系统的组成特性，工况，比如GDL的特性，空气流通的速率，还有电池的温度研究很少。关于这项工作，一项对于几个关键参数的研究，比如GDL层的厚度，PTFE在GDL层中的含量，空气流通的速率，单电池的温度，都被作为空冷燃料电池性能的重要考量，研究的数据可以为以后的电池诊断和维持电池较高的性能提供依据。

2.实验系统

2.1实验材料

图一a展示了在阴极的流场的结构，它是由许多平行的和直的通道组成。每个通道的尺寸是2mm宽，1.8mm深，岸宽是1.2mm.对于阳极板，是由两条成蛇形弯曲的通道平行布满，每条通道的尺寸都是宽1mm，深0.4mm,岸宽1mm，如图一b所示