重力对PEM燃料电池阴极水办理影响
摘要：本文测验了重力对阴极水从PEM燃料电池内排出的影响。通过改动阴阳极摆放方位，选用改动电子负载测定输出电压和电流的办法，对应着不同的加湿条件下，阴极在上和阳极在上，运用电压/电流密度/温度画出极化曲线。对应着阴阳极上下摆放方位的不同，电池温度、阳极气体加湿温度和阴极气体加湿温度在40℃～70℃之间同步改动，得出四组试验数据成果。试验成果表明，在PEM燃料电池电极摆放阳极在上时，重力有利于PEM燃料电池阴极液态水的排出；在PEM燃料电池电极摆放阴极在上时，重力不利于PEM燃料电池阴极液态水的排出。
关键词：质子交流膜；燃料电池；重力；水办理
影响PEM（质子交流膜）燃料电池功能的要素许多，例如温度，压力，燃料和氧化剂的气体流量等外部要素，也有传质传热等内部要素。其间一个较首要的影响要素便是内部的水办理。水办理的好坏将直接影响其功能的好坏，并且水在PEM燃料电池内部是一把双刃剑，膜内不能缺水，气体分散层内又不能被水堵塞，还要考虑过量水分的排出等。
许多人对PEM燃料电池内部的水办理进行研究，大多数是以模型的方式模仿其传递进程。Hua Meng[1]树立了一个三维模型来模仿MEA（膜电极组件）内水接连传递进程。B. Carnes等人[2]运用一维和二维模型对PEM燃料电池内部质子和水进行了剖析。Wei-Mon Yan等人[3]用一维模型通过耦合温度梯度和传质详细剖析了PEM燃料电池膜内的水热办理状况。
Trung Van Nguyen等人[4]从气体的传递和散布方面剖析了PEM燃料电池堆内部的水办理。N.Rajalaks hmi等人[5]所做的试验是给电池通入枯燥气体丈量发生的水量和改动流道形状，剖析水的传输状况。J. J. Baschuk等人[6]，用数学模型模仿了电池水淹程度对功能的影响。现有的二维和三维数学模型，对PEM燃料电池的功能、内部水的传递和散布进行了模仿剖析。根本都没对重力加以考虑，有的只是在模型中说到，并没有选用试验的办法验证重力对水的影响。
本文首要是对PEM燃料电池阴阳极不同的加湿状况下，试验重力对PEM燃料电池阴极液态水传递的影响，然后影响PEM燃料电池的功能，规划了一些试验计划，选用改动阴极和阳极上下摆放方位，杰出重力对PEM燃料电池电流密度的影响。
1 理论剖析
在数学模型的树立进程中，大多数人总是用质量守恒、动量守恒和能量守恒三大守恒方程。现在现已树立的数学模型中，大多数都用到了这三个方程。可是，在用到动量方程的进程中，许多人都疏忽重力项的影响[7-17]。
在PEM燃料电池动量方程中，要剖析的流体首要是燃料气体，氧化剂气体和水等，它们归于牛顿流体，不行紧缩流体，简化后其动量方程的矢量方式为
式（1）便是动量守恒方程，简称动量方程，也称为纳维－斯托克斯方程。从方程中能够看出有重力项 ，咱们以为重力项 在这个方程中的作用是不能疏忽的。所以规划了关于重力对PEM燃料电池功能影响的试验。
2 试验体系
在试验顶用的是2.24cm×2.23cm面积的单电池，膜电极组件是由Nafion115膜和铂载量为0.4mg/cm2的电极组成，分散层选用的是炭纸，MEA外面是两个石墨板，用两个镀金的铜板夹紧。石墨板上是三排蛇形的流道。
在试验中运用的测验仪是由美国电化学公司出产的MTS150测验仪，它能够测控电池的温度，显现流量和背压。在这套测验体系中，反响气体是通过外部的气体加湿器进行加湿。调理气体加湿的温度然后操控气体的湿度。加湿的温度是通过加湿器上的温度操控表操控。背压是由背压阀操控，电池加热是通过安装在单电池两边的两个加热片，电池温度是通过丈量接近电池中心的电极板温度，电池外接电子负载，通过改动电子负载丈量不同的电压和电流试验数据，依据试验数据然后画出极化曲线，剖析其功能。测验体系如图1所示。PEM燃料电池的几许尺度在表1中列出。
图1 PEMFC测验体系示意图
表1 PEM燃料电池的几许尺度
3 试验成果与评论
对电池内部水的散布有影响的首要要素：（1）电搬迁作用。质子在从阳极向阴极传递的进程中会从质子交流膜的阳极侧以水合氢离子的方式带走一部分水，因此改动了质子交流膜内水的散布；（2）反分散作用。因为阴极水摩尔浓度高于阳极，水就会从质子交流膜的阴极侧向质子交流膜的阳极侧分散，这种对水的作用正好是和电搬迁作用相反，一般状况是电搬迁对水的作用大于反分散的作用；（3）在阴极生成的水。电化学反响也会在阴极不断发生水，水量和电流成正比；（4）反响气体含水量。燃料和氧化剂气体都是通过加湿处理的气体，带有水蒸气，这也会带给电池一部分水。
在许多的相关文献中，说到的质子交流膜燃料电池单体阴阳极的方位摆放大多都是两极板平行竖直放置，并且大多数人测验的重点是调查温度、压力、加湿温度等外部条件对质子交流膜燃料电池功能的影响。咱们为了测验重力对电池内部阴极液态水排出的影响，然后得出重力对电池功能的影响。规划出如下试验计划，阴阳极上下相对摆放，如图2所示阴极在上，或如图3所示阳极在上。运用阴极和阳极相对摆放方位的改动，调查重力对质子交流膜燃料电池功能的影响[18]。
图2 阳极在上
图3 阴极在上
图4 0.85V下电流密度图
对应着阴极在上和阳极在上的摆放方位，做了几组试验，试验条件是加湿温度和电池温度同步改动，其他条件和试验成果如图4-图9所示。
图5 阳极在上阴极加湿排水示意图
图6 阴极在上阴极加湿排水示意图
图4，图7和图8是不同输出电压，不同电池温度下，电流密度的比照。图4是在E=0.85V时不同条件下功能的比照。0.85V比较接近于开路电压，受的极化影响是电化学极化。从图4看，在温度40℃和50℃的状况下，电池功能的好坏交织散布；在60℃和70℃状况下，看似无规律,可是仍是有章可循的，阴极不加湿（阳极加湿）的电流密度要比阳极不加湿（阴极加湿）的电流密度要好。构成这种状况的原因是阳极气体不加湿引起阳极侧水分少，影响了电阻率，因此影响了电流密度，一起因为是接连的测验，有许多的水分跟着温度的升高带入电池内部，构成阴极侧水分过多，归纳构成上述成果。
图7 0.65V下电流密度图
图7是在E=0.65V时不同条件下功能的比照。一般这个电压是电池的作业电压。从图7中看出，阳极不加湿(阴极加湿)的功能显着没有阴极不加湿(阳极加湿)功能好，这首要是因为电池内部的水平衡状况不同。正常状况下，电池内部的水归纳传递方向是从阳极侧向阴极侧传递。在阳极不加湿的状况下，阴极侧因为电池的反响发生的水和阴极气体带入电池内部的水分归纳，构成阴极侧水分显着过剩，并且没有及时排出到电池外部，构成液态水的积累，然后堵塞多孔气体分散层，影响氧化剂的传递，终究构成电池功能的下降；而在阴极不加湿，阳极加湿的状况下，这种水对传质的影响显着要小，因为阳极侧有加湿气体，不简单构成阳极侧的脱水，而阴极侧因为没有加湿气体，水分的首要来历是电池从阳极传递过来和电池反响生成的水，这些水根本上跟着阴极气体及时的排出到电池外部。从图7中还能看出跟着温度的升高，电池的功能有所下降，这首要是试验是接连进行的，构成电池内部水分跟着温度的升高而积累，所以影响了后边的功能。从图7中还可看出阳极在上的电流密度显着要比阴极在上的电流密度要好。阳极在上，阴极鄙人时，排水流道的底部是润滑的石墨资料，如图5所示，液态水与流道之间的阻力小，跟着阴极剩下气体活动，排出到电池外；阴极在上，阳极鄙人时，因为首要仍是阴极排水，所以在阴极侧构成的排水流道中，底部是气体分散层，如图6所示，有许多的微孔，增加了液态水跟着气体活动的阻力，并且很简单在气体分散层上构成一层水膜，阻止气体传质。然后影响它的功能。
图8与图7的差异在于E=0.45V。假如不看坐标，只看图形，图7与图8比较类似，显现的成果也是相同的。能够看在电池的电流密度为中高区时，水对电池功能的影响作用是相同的，所以才会发生类似的图形。
图8 0.45V下电流密度图
图9是电池在不同条件下的最大输出功率比较。从图中能够看出，只要在40℃和70℃阳极不加湿的状况下，阴极在上的功能要比阳极在上的功能好一点，作用也不是太显着。尤其是70℃阳极不加湿的状况下，最大输出功率十分小。而在40℃下阳极不加湿的功率比较高，原因是刚开始做试验，电池内部阴极水分还不是许多，一起因为温度比较低，水的饱满蒸汽压也比较低，带入阴极的水分比较少，使阴极水分的输入与输出达到了很好的平衡，没有堵塞阴极气体分散层，然后没有影响阴极的气体传质，所以电池表现出很好的功能。最大功率比较高的点是40℃，50℃和60℃阴极不加湿（阳极加湿）的条件下。在这种条件下，阴极不加湿处理了阴极水分过剩的问题，阳极加湿处理了阳极脱水的问题，所以功能比较不错，可是在70℃时，水的饱满蒸汽压十分的高，带入电池内部的水分过剩，构成阳极的吞没，然后影响了它的功能，呈现如图9所示的作用。纵观全图最大输出功率数据，阳极在上的功能要比阴极在上的功能要好一些。
图9 最大功率比较
4 定论
（1）在同等条件下，阳极在上放置时，相同电压下，PEM燃料电池电流密度要比阴极在上放置时大。
（2）在其他试验条件不变的状况下，相同电压下，阳极加湿（阴极不加湿）时PEM燃料电池电流密度比阴极加湿（阳极不加湿）电流密度大。
（3）阳极在上（阴极鄙人）的状况下，阴极内过剩的液态水比阴极在上（阳极鄙人）时简单排出到PEM燃料电池外部。
（4）在PEM燃料电池应用时，应考虑PEM燃料电池阴阳极的上下摆放方位。
（5）在树立PEM燃料电池数学模型时分，重力不该该被疏忽。
参考文献
[1] HA M. A three-dimensional PEM fuel cell model with consistent treatment of water transport in MEA[J]. Journal of Power Sources, 2006, 162: 426-435.
[2] CARNES B, DJILALI N. Analysis of coupled proton and water transport in a PEM fuel cell using the binary fricTIon membrane model[J]. Electrochimica Acta, 2006, 52: 1038-1052.
[3] YAN W M, CHEN F, WU H Y, et al. Analysis of thermal and water management with temperature-dependent diffusion effects in membrane of proton exchange membrane fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2004, 129: 127-137.
[4] NGUYEN T V, KNOBBE M W. A liquid water management strategy for PEM fuel cell stacks[J]. Journal of Power Sources, 2003, 114: 70-79.
[5] RAJALAKSHMI N, JAYANTH T T, THANGAMUTHU R, et al. Water transport characterisTIcs of polymer electrolyte membrane fuel cell[J]. InternaTIonal Journal of Hydrogen Energy, 2004, 29: 1009-1014.
[6] BASCHUK J J, LI X. Modelling of polymer electrolyte membrane fuel cells with variable degrees of water flooding[J]. Journal of Power Sources, 2000, 86: 181-196.
[7] UGUR P, WANG C Y. Two-phase transport and the role of micro-porous layer in polymer electrolyte fuel cells[J]. Electrochimica Acta, 2004, 49: 4359-4369.
[8] GUO H, MA C F. 2D analyTIcal model of a direct methanol fuel cell[J]. Electrochemistry Communications, 2004, 6: 306-312.
[9] SIEGEL N P, ELLIS M W, NELSON DJ, et al. A two-dimensional computational model of a PEMFC with liquid water transport[J]. Journal of Power Sources, 2004, 128: 173-184.
[10] ZHOU T H, LIU H T. A 3D model for PEM fuel cells operated on reformate[J]. Journal of Power Sources, 2004, 138: 101-110.
[11]CHEN F, SU Y G, SOONG C Y, et al. Transient behavior of water transport in the membrane of a PEM fuel cell[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2004, 566: 85-93.
[12]Hu M R, et al. Three dimensional, two phase flow mathematical model for PEM fuel cell: Part II. Analysis and discussion of the internal transport mechanisms[J]. Energy Conversion and Management, 2004, 45: 1883-1916.
[13]WU Y H. An investigation on the theory research of PEM fuel cell[C]. 13th World Hydrogen Energy Conference, JUN 11-15, 2000. HYDROGEN ENERGY PROGRESS XIII, 2000, 1, 2: 858-862.
[14]YOU L X, LIU H T. A two-phase flow and transport model for the cathode of PEM fuel cells[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45: 2277-2287.
[15]PASAOGULLARI U, WANG C Y. Two-phase transport and the role of micro-porous layer in polymer electrolyte fuel cells[J]. Electrochimica Acta, 2004, 49: 4359-4369.
[16]FERNG Y M, Tzang Y C, PEI B S, et al. Analytical and experimental investigations of a proton exchange membrane fuel cell[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2004, 29: 381-391.
[17]孙红, 郭烈锦, 刘洪潭, 等. 操作参数对PEM燃料电池中水搬迁的影响[J]. 工程热物理学报, 2005, 26(2): 257-260.
[18]陈士忠, 吴玉厚. 重力对质子交流膜燃料电池功能的影响[J]. 沈阳修建大学学报(自然科学版), 2006, 26(4): 686-690.
