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PEMFC水管理系统研究
PEMFC水管理系统研究
产品说明:

电池水管理研究是低温PEMFC(最高操作温度小于100℃)系统研究的重点内容之一。在低温PEMFC中,一方面气态水可能冷凝成液态水而滞留在电极或气体通道内,导致电极水淹或气体通道堵塞,电池性能恶化。另一方面如果通入电池的气体是高温干燥气体,很可能将原来留在电池内水分(液态和气态)带走,膜电极中膜的水含量下降,导致膜内阻增大,电池性能得到改善。因此如何保持膜中(或电池内)良好的水平衡是低温PEMFC水管理的关键问题所在,而了解水在膜中或边界上的传递可为水管理提供理论依据。目前,学术界普遍认为膜中水的传递可以分为:从阳极向阴极的电拖拽(electro-osmotic drag)传递和从阴极向阳极的反扩散(back-diffusion)传递。Majsztrik等从实验角度对Nafion 膜中水的传递速率影响因素(包括膜的厚度、操作温度以及与膜两侧接触的水活度)matlab代做QQ1224848052进行了稳态分析。其研究结果表明,当水活度(或相对湿度)从0增加到0.8,水传递速率呈线性增加趋势。当选用不同厚度的膜时,水传递速率随膜厚度的增加而下降。当水活度趋近与1时,水传递速率则与膜厚度无关[204]。而Chen[205]研究了膜中水传递的动态行为,指出该动态受电流密度和膜的初始水含量等因素的影响。针对水在膜边界上的传递(如边界的吸入absorption以及吸出desorption等行为)也有了较为深入的研究,如Majsztrik[206]Ge[207]的研究工作揭示了水在膜边界上的复杂传递现象。

有关PEMFC水管理的研究,国内外已做了大量的研究,其中大多数研究工作集中在模型研究。杨绍军等[208]介绍了水管理中的增湿法和排水法的基本原理,并比较了各自的特点。律翠萍等[209]在水管理中讨论了热管理与其耦合的关系。詹志刚等[210]针对膜中水的传输机理、加湿方式、液态水的测量与排除和水管理模型研究等方面分别进行论述。李曦等[211]、张立炎等[212]以及张培昌等[213]通过建立不同类型的PEMFC水管理模型,旨在揭示电池内部水传递机理,为水管理系统的设计提供了理论依据。在国外的PEMFC水管理模型研究中, Nguyen[214]以及Fuller[215]较早建立了PEMFC水管理模型。Nguyen等建立了1D+1D的稳态模型,即1D气体通道模型和1D 膜电极(MEA)模型。Fuller等建立了2D的稳态模型。他们的研究成果为后续的PEMFC水管理提供了有益参考。Berg[216]建立了2D稳态PEMFC模型,研究了阴阳两极气体输送方向的不同(counter-flowco-flow)对水管理的影响matlab代做QQ1224848052,发现counter-flow有利于保持膜湿润,提高电池性能。随着对电池内部多相流的不断研究,PEMFC水管理模型从单相转为多相,如Berning[217]利用两相流模型研究了电池内部的水平衡问题。

PEMFC水管理的主要目标是要保持电池(或膜)内水平衡,即电池或膜既不能过干,也不能过湿。为了达到这一理想目标,国内外学者或研究机构主要从以下方面进行了探索:

1)从电池的材料或结构上进行考虑

改变膜中组成成份,有利于膜的自增湿。Watanabe[218]在膜的制备过程中掺入适量粒径为5 nmTiO2 SiO2,形成Pt-TiO2-PEMPt-SiO2-PEM。这种改性的膜的水化程度要好于普通膜。在电池工作过程中会生成水,就地利用这部分水可以首先从极板材料上考虑。Mosdale[219]尝试采用多孔的碳极板替代传统刻有流场的极板。这种碳极板具有一定的亲水性。Shah[220]则从多孔介质的微结构角度出发,分析了微结构对水管理以及电池性能的影响。Mathias[221]论述了在扩散层(GDL)与催化层(CL)中间添加具有较大液态水接触角的微孔层(MPL)。这一做法可以得到较好的电池水管理。Litster[222]提出了主动水管理的概念。通过对电池结构进行改造(见图5.1所示),引入electro-osmoticEO)泵主动地移除气体通道和扩散层内多余液态水。由图5.1b)所示,在气体通道内的液态水流经多孔介质的SGL炭心(carbon wick),经过PVA过滤由EO泵导出电池体外。虽然该措施具有一定的创新性,但所引入的EO泵增加了系统的额外电消耗。由于电池的材料以及内部结构所涉及到的内容以超出本文的论述范围,在此不再赘述。

2)在外部增湿的方式上进行考虑

为了保持电池(膜)内的水平衡,在电池材料以及结构均确定的情况下,对电堆入口处反应气体进行增湿为目前PEMFC系统水管理的常用手段。反应气体的湿度大小对电池性能有着直接的影响,国内外学者对此也做了相关的研究工作。陈士忠等[223]从实验的角度研究了不同的加湿程度对电池性能的影响。实验结果表明在大电流密度条件下(>6000A/m2),提高入口湿度会改善电池性能,但当湿度增加到一定程度后,继续加湿会降低电池电压。其解释是此时电池内部发生水淹现象,从而使得电池性能下降。张亚等[224]、李升进等[225]以及王芳芳等[226]则从建模的角度进行相关分析,均得出入口湿度是改善电池水管理的关键因素。张竹茜等[227]将模拟与实验相结合,得出阴极加湿对电池的启动影响较大,且在动态启动工况下,短期内没有观察到电池水淹现象,因而得出加湿程度越高,对应电池性能越好的结论。国外的相关报道有:Zhang[228]研究了阴极入口湿度对电池动态性matlab代做QQ1224848052能的影响,并得出提高阴极入口湿度可以改善电池启动性能。Pivovar[229]则研究了在低湿度条件下电池内部水份的动态行为。Yan[230]从实验上研究了进入PEMFC的气体相对湿度对电池性能的影响。实验中采用有效面积为25cm2、带三通道平行蛇形流场的燃料电池,实验操作条件为:氢气计量比1.2,空气计量比2.0,操作温度80℃。阳极增湿条件依次为70%80%90%以及100%。阴极增湿条件依次为10%30%50%70%以及100%。 实验结果表明,在大电流密度下(如>7000A/m2), 100%的阴极入口气体湿度所的应用的电池电压要比入口湿度为70%是要低。

综上所述,对进入电堆的反应气体进行加湿处理是必要的。因为从外部进入电池的水分可以补偿因蒸发或对流以及迁移的水分,以保持GDL的气体通道畅通以及膜充分湿润,降低传质损失和欧姆损失,这也是电池水管理的核心目标。为此,车用燃料电池系统中大都采用了外部增湿方式。


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