阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池——水分布及其性能

针对阳极封闭式自增湿质子交换膜燃料电池(PEMFC),建立了Nafion固体电解质膜中水传递理论模型,并得出了PEMFC实现自增湿的判据。模拟了Nafion固体电解质膜厚、电池压差、电池温度及电流密度等因素对膜中水分布与电渗系数的影响,并发现了阴阳两极压差、电池温度对膜中水分布的影响随放电电流密度变化的规律。通过非对称式膜电极(MEA)的方法自制了自增湿PEMFC,实现了阳极封闭式自增湿操作,电池性能非常稳定,最高功率密度可达到1.3W/cm2以上。建立的水分布与电性能模型很好地拟合了实验放电曲线,并得到了自增湿PEMFC氧电极动力学参数,模拟出了阴阳两极压差、温度对电性能影响的极化曲线,得到了实验的证实。

温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响

温度是燃料电池重要运行参数,为了研究温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响,通过Fluent软件的PEM模块模拟了不同运行温度下的单直流道阳极封闭式质子交换膜燃料电池性能。结果表明阳极封闭式燃料电池存在最佳运行温度;在低电流密度时,温度对电池性能影响较小,但在高温区影响变大;在高电流密度时,运行温度对电池性能影响较大。温度变化会使阳极流道内水、氮气的累积和氢气分布不均,这可能是温度对性能产生不同影响效果的直接原因。

阳极封闭式质子交换膜燃料电池的研究进展

从数值模拟和实验两个方面简要介绍了国内外阳极封闭式质子交换膜燃料电池(PEMFC)研究现状,提出了阳极封闭式PEMFC存在的主要问题,由于水的反扩散和氮气的渗透以及反应物消耗造成了阳极出口处的氢气浓度低、阴极电势高,加快了催化层和质子交换膜的碳腐蚀,导致电池性能下降。针对存在的问题,提出了解决方案,如阳极吹扫、震荡压力、级联设计等,可进一步提高燃料电池性能。