PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能
PEM燃料电池性能测试-中兴大学机械系
PEM燃料電池性能測試(本實驗請攜帶紙、筆及隨身碟)一、實驗目的人類發展過程的能源使用出現了許多問題，油價不斷創下新高，石油產地動盪不安、衝突不斷，一再顯示一個嚴重的警訊，石油的儲量已日漸枯竭，人類若不在本世紀找到替代石油的能源方案，未來的發展勢必會受到限制，因搶奪石油而產生的戰爭將不可避免。
而這種替代能源有許多種型態諸如:水力、風力、潮汐、地熱、生質能、太陽能、氫能(燃料電池)等等。
這裡提及到的再生能源，都有一個特性，就是能夠在自然環境中生生不息、循環不已。
氫能源科技以零污染的特色成為最重要的新興能源，氫能源科技的應用包括直接燃燒與使用電化學原理的燃料電池兩種，而無論就污染，效率，或應用範圍來看，燃料電池都將成為未來能源科技的重要選項。
概括而論，燃料電池是一種可靠的能源轉換裝置，只要不斷的供給燃料即可連續不斷電，而且容易維護及再生使用，也不會製造惱人的噪音與環境污染，能量效率與運轉穩定性皆較傳統內燃機高，並且可進行模組化設計等優點。
本實驗透過燃料電池測試平台，藉由量測時間、電壓、電流及功率等來了解質子交換膜燃料電池(PEMFC)之性能，也使同學們對燃料電池有更進一步認識。
二、實驗原理質子交換膜燃料電池(PEMFC)如圖2.1所示，其是以氫氣與氧氣為反應物，其透過觸媒使陽極氫分子(H2)催化分解成氫離子和電子，電子由陽極內部導至外面，經由外電路形成電流，供發電使用後導至陰極，氫離子由陽極透過可導離子(電子絕緣體)之高分子質子交換膜抵達陰極，空氣或氧氣輸送至陰極，其中氧分子(O2)經催化劑與電子(e-)及氫離子(H+)反應產生水，整個過程的產物有水、電能(理論1.23V)和熱能。
在25℃、1atm下，其反應過程以下列化學方程式來表示，陽極：H2→ 2H+ + 2e- Erev,a=0V 氧化反應,可逆平衡電位陰極：1/2 O2 + 2H+ + 2e-→ H2O Erev,c=1.229V 還原反應,可逆平衡電位總反應：H2 + 1/2 O2→ H2O Erev,cell=1.229V 平衡電位差圖2.1：質子交換膜燃料電池(PEMFC)質子交換膜燃料電池的核心組件可分為薄膜(membrane)、電極(electrode)觸媒層(catalyst layer)、氣體擴散層(gas diffusion layer)及雙極板(bipolar plates)。
PEM燃料电池用金属双极板及其涂层的研究进展
PEM燃料电池用金属双极板及其涂层的研究进展摘要质子交换膜(PEM)燃料电池的金属双极板在成本和加工成形方面具有优势,但是其易腐蚀的特点也影响了燃料电池的导电性和耐久性。
该文从金属双极板及其涂层导电性和耐久性出发，系统总结了相关研究进展。
首先根据燃料电池的市场需求，分析了应用金属双极板的优势；对金属双极板及其涂层导电性和耐久性的典型测试方法进行了讨论，并对近期文献中出现的多种涂层进行了评价，发现除合金涂层外大部分涂层能满足美国能源部2020目标。
如图１所示，PEMFC 的工作环境恶劣：高湿度、高电势、温度分布不均匀。
同时，PEMFC的工作状况复杂，在实际的车辆应用中，燃料电池主要经历４种工况：启/停工况、怠速工况、高负载工况和变载工况。
工况的变化可能会导致反应气体不足，而反应气体不足和启/停工况则会带来高电势。
此外，PEMFC在运行中偶尔也会发生控制故障，导致膜的干燥或水淹现象发生。
研究燃料电池工作环境和工作状况下金属双极板的导电性和耐久性至关重要。
图1 PEMFC工作环境及工作状况对金属双极板的影响本文聚焦于金属双极板及其涂层的导电性和耐久性，综述了相关研究进展。
首先简要概述了近年来PEMFC电堆的产品市场，并根据燃料电池制造商的选择指出了研究金属双极板及其涂层的重要性，对涂层进行了分类；然后，讨论了测试方法，对涂层进行了比较；接下来揭示了工作环境和工作状况对金属双极板及其涂层的导电性和耐久性有显著影响，阐述了各因素所造成的影响，最后提出了未来的研究方向。
１、双极板的类型与涂层双极板是PEMFC电堆的重要组件，约占整体70％的质量和30％的价格。
根据双极板材料的不同可以分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。
石墨及其复合材料脆性大、渗气性高、成本较高，相比之下,金属双极板强度更高，具有更好的成形性、抗冲击性和较低的渗气性。
图２整理了部分国内外制造商的车用PEMFC电堆的体积功率密度及其双极板类型。
PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能
PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能李湘华1,2，覃有为2,3，肖金生2,31广西玉林柴油机厂，广西537000；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，3汽车工程学院，湖北430070摘要：为了研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜中电流密度分布及电池性能的影响因素，利用FLUENT软件的燃料电池模块进行了单流道电池的数值模拟，得到了在阴阳极加湿温度和电池运行温度等条件不同的情况下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论了阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度、气体扩散层孔隙率等参数对燃料电池性能的影响。
结果表明随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高;随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。
模拟结果与实验结果基本吻合，这说明计算数学模型是合理的，FLUENT计算结果是可信的。
关键词：质子交换膜；燃料电池；模拟质子交换膜燃料电池输出电压随电流密度的增加而减小，这主要是由于存在各种极化的影响。
质子交换膜的电阻和膜的润湿状况有很大关系，膜的润湿条件好，膜电阻则低，反之则膜电阻变得非常大，欧姆极化也就很大，燃料电池性能下降[1]。
而燃料电池膜中电流密度对质子交换膜中水含量有着非常重要的影响，在低电流密度时，由于电化学反应生成水量以及电拖引起的水迁移量都较少，所以膜中水含量相对比较均匀；而在高电流密度运行时，即使进行阳极加湿，膜的阳极侧也有失水干凅的危险[2]。
因此，质子交换膜燃料电池中影响电池性能和膜中电流密度分布的各种因素是我们必须要给予特别注意的问题。
本文首先讨论了表1各个系列条件下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度等因素对燃料电池性能的影响。
PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计
PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）具有转化效率高、环境友好、室温快速启动等突出特点,是非常有前景的清洁高效的能源装置。
然而,PEM燃料电池成本太高,阻碍其商业化发展。
双极板作为质子交换膜燃料电池中的关键部件,其成本占据着PEM燃料电池总成本的30-45%,金属双极板由于其良好的加工性、导电性、机械抗冲击性能以及低成本,成为PEM燃料电池研究的热点。
双极板材料的选择、流场形式以及流场参数对金属双极板加工成形性能以及燃料电池的输出性能有着重要影响,尤其是双极板流道尺寸的微尺度化,使双极板与宏观尺度下材料的成形性能以及流道中流体流动有所区别。
本文运用数值模拟方法和实验方法研究了奥氏体304不锈钢和新型Fe-Ni-Cr合金双极板的冲压成形性能,分析了成形工艺和流场参数对塑性成形的影响;此外,利用微流体可视化测速技术对双极板微流道中水流动进行测试分析,并且通过测速结果对Fluent软件数值模拟方法进行修正,提高燃料电池性能数值模拟的可靠性。
本文的研究工作和结果有如下几个方面:（1）通过304不锈钢双极板拉伸试验,研究了应变速率对塑性变形的影响,对拉伸试样进行物相分析和微观形貌测试,结果表明奥氏体304不锈钢塑性变形时产生应变诱发马氏体相变,马氏体相变提高了材料的塑性变形能力。
通过J-C模型建立本构关系曲线,与实验结果拟合较好;（2）采用Dynaform 有限元软件建立三维模型,对304不锈钢和合金双极板冲压成形过程进行数值模拟,根据成形极限图（FLD）和板料减薄情况预测和消除成形中的起皱和破裂缺陷,从而得到最佳成形工艺和安全的流场尺寸范围,对数值模拟进行实验验证,实验结果与数值模拟吻合度较高。
研究结果表明合金与常用的304不锈钢双极板成形性能相差不大,是一种非常有前景的双极板材料;（3）利用CFD软件Fluent中的燃料电池模块建立燃料电池的三维数学模型,对电池输出功率的影响因素进行了研究,主要考虑了双极板材料、流场尺寸以及流场类型等因素的影响,数值模拟结果表明,随着电流密度的升高,电压逐渐降低,而功率密度随着电流密度的增加先增大,达到峰值后随着电流密度的继续增加而降低。
聚合物燃料电池膜材料的性能与稳定性研究
聚合物燃料电池膜材料的性能与稳定性研究聚合物燃料电池 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC) 是一种具有高效能和环保的能源转换技术。
PEMFC 的主要组成部分是膜电极组件 (Membrane Electrode Assembly，MEA)，其最重要的组件就是膜材料。
膜材料不仅直接影响PEMFC 的性能，还关系到 PEMFC 的稳定性及其长期使用的合理性。
一、PEMFC 膜材料的选择膜材料是PEMFC 最基本的组成部分之一，直接影响PEMFC 的性能和稳定性。
当前，市场上常用的膜材料主要有聚四氟乙烯 (Polytetrafluoroethylene，PTFE)，草酸酯，磺酸基聚合物 (Sulfonated Polymeric Materials，SPMs)，磷酸基聚合物等。
每种膜材料的优缺点不同，需要考虑物理、化学及电化学性质等方面的综合因素来选择。
PTFE 材料因为具有很强的耐腐蚀性、机械强度和热稳定性等优点，被广泛应用于 PEMFC 中。
然而，它的缺点是对水的通透性不好，不适合用作质子交换膜材料。
草酸酯是 PEMFC 中常用的质子交换膜材料，具有低成本、良好的热稳定性及较好的质子导电性等优点。
但是，草酸酯膜的到质子转换效率较低，稳定性也不太好。
SPMs 材料因具有优异的质子传导性、耐热性和化学稳定性，常用于质子交换膜的制备。
但是，它的耐水性和氧化稳定性较差，在 PEMFC 长期使用过程中容易产生氧化还原反应，不利于 PEMFC 的稳定性和使用寿命。
磷酸基聚合物是一种新型的质子传递材料，具有优异的质子传导性和化学稳定性，同时也较强的耐水性、防止氧化稳定性等优点。
但是，磷酸基聚合物具有吸水性增强和自身机械性能脆弱等缺点，不适合用作单一的质子交换膜材料。
二、PEMFC 膜材料的性能PEMFC 膜材料的性能主要包括以下几个方面：1. 质子传导性能PEMFC 的一个重要指标是质子传导性能。
PEM燃料电池流场板及电池堆流体流动分布的研究
摘要燃料电池（简称ＦＣ）以其能量转化效率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。
流场板是Ｆｃ的重要组成部分，它为电池分配燃料与氧化剂并串连相邻电池，其成本可占总成本的约４０％，而Ｆｃ的高成本正是其走向实用化的一大障碍。
另外，实用Ｆｃ电源需要将多个单电池串联为电池堆，而电池堆的性能不但取决于各单电池的材料和工艺水平，还很大程度上受到燃料和氧化剂向各单池分配均匀性的影响。
不均匀流体分配可以使电池堆大大低于单电池的比性能。
本论文针对现有流场板成本高和电池堆流体分配问题，在开发高性能、价廉的ＦＣ流场板及分析电池堆的流体流动行为方面进行一些新的探索和尝试。
论文首先从材料入手研究了可膨胀石墨的膨化工艺，并进一步研究了石墨的膨化温度、膨胀比容积、膨化时间对可膨胀石墨导电性能的影响。
在不同工艺条件下将蠕虫状石墨用压片机压制成柔性石墨片，测其电阻并计算电阻率，从而确定电阻率的影响因素。
本文还将其它材料与石墨复合，并研究了这些复合柔性石墨片的导电性能。
提出并验证了柔性石墨流场板～步模压成形技术，除单独测量流场板导电率和气密性外还装配了燃料电池，测其放电性能曲线并与其它材料流场板组装的燃料电池的放电性能进行比较，从而验证新材料和工艺的性能。
本文还用ＰｈｏｅｎｉＣＳ流体力学计算软件对直接甲醇燃料电池电堆中甲醇溶液的流体流动特征进行模拟。
研究了电堆的主流道入口流速、单电池数目、电堆的主流道入口尺寸、各单电池流道长度等因素对电堆流体分配的影响。
提出了改进流体分配均匀性的设计方案。
研究取得了极具开发前景的结果，所压制出的柔性石墨流场板的性能相当或略好于硬质石墨板，但其成本将远低于硬质石墨板，这将为燃料电池提高经济竞争力和走向实用化奠定基础。
对电池堆中流体分配行为模拟方法的建立将有助于电池堆的优化设计从而提高其性能。
关键词：流场板：蠕虫状石墨；可膨胀石墨；直接甲醇燃料电池；燃料电池电堆模拟ＡＢＳＴＲＡＣＴＦｕｅｌｃｅｌｌ（ＦＣ）ｉｓｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄａｓａｎｅｗａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｔｏｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｐｏｗｅｒＳＯＵｒＣｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｌｏｗｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙ．ＦｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｉｎＦＣ，ｗｈｉｃｈｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓｆｕｅｌａｎｄｏｘｉｄａｎｔｆｏｒＦＣａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓ．Ｉｔｓｃｏｓｔａｃｃｏｕｎｔｓｆｏｒａｂｏｕｔ４０％ｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｏｓｔｏｆＦＣ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｈｉｇｈｃｏｓｔｏｆＦＣｉｓａｋｅｙｏｂｓｔａｃｌｅｔＯｉｔｓｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｍａｎｙｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓｈａｖｅｔＯｂｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｓｅｒｉｅｓｔＯｆｏｒｍａｓｔａｃｋ，ｔｏｍａｋｅａｐｒａｃｔｉｃａｌＦＣｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅ．ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａＦＣｓｔａｃｋｎｏｔｏｎｌｙｄｅｐｅｎｄｓｏｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆａｌｌｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｓ，ｂｕｔａｌｓｏｇｒｅａｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｕｅｌａｎｄｏｘｉｄａｎｔｔｏｅａｃｈｃｅｌｌ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｂｏｖｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓａｒｅｅｘｐｌｏｒｅｄａｎｄｆｌｏｗｐｒｏｆｉｌｅｉｎＦＣｓｔａｃｋａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｂｅｇａｎｗｉｔｈｇｒａｐｈｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｐａｎｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｘｐａｎｄｉｎｇｄｅｇｒｅｅａｎｄｅｘｐａｎｄｉｎｇｔｉｍｅｏｎｔｈｅｐｌａｔｅ’ｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｒａｐｈｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｒｏｃｅｓｓｅｄａｎｄｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｍａｋｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｌａｔｅｓ’ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｉｔｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｏｎｅ—ｓｔｅｐｐｒｅｓｓｍｏｌｄｉｎｇｉｎｐｒｏｄｕｃｉｎｇｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｓｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｇｐｌａｔｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｉｎｒｅａｌＰＥＭｆｕｅｌｃｅｌｌｓａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉⅡ１ｐｌａｔｅｓｆｒｏｍｏｔｈｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇ，Ｐｈｏｅｎｉｘａｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｍｅｔｈａｎｏｌｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅＩｌ（ＤＭＦＣ）ｓｔａｃｋｓｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｎｕｍｂｅｒｏｆｆａｃｔｏｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｅｌｌｎｕｍｂｅｒ，ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｃｈａｎｎｅｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｗｉｍｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｉｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｃｅｌｌｓ．Ｍｅａｎｓｏｆｕｎｉｆｙｉｎｇｆｌｏｗｉｎｆｕｅｌｃｅｌｌｓｔａｃｋｓｗｅｒｅｅｖｅｎｎｅｓｓｏｆｆｌｏｗｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｅｎｃｏｕｒａｇｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｉｎｒｅｇａｒｄｔｏｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅｇｒａｐｈｉｔｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅ．Ｉｔｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｕｅｌｃｅｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｍｕｃｈｌｏｗｅｒｃｏｓｔｗｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅｏｆｈａｒｄｇｒａｐｈｉｔｅ．Ｔｈｉｓｗｉｌｌｈｅｌｐｔｏｍａｋｅｆｕｅｌｃｅｌｌｍｏｒｅｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ．ＴｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｉｎＦＣｓｔａｃｋｓｗｉｔｌｌｔｈｅｕｓｅｆｕｌｉｎａｃｈｉｅｖｉｎｇｏｐｔｉｏｎａｌｓｔａｃｋｄｅｓｉｇｎＳＯｔｈａｔｉｔｓｈｉｇｈｅｓｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌｃｅｌｌ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｌａｔｅ：ｇｒａｐｈｉｔｅｗｏｒｍｅｘｐａｎｄａｂｌｅｇｒａｐｈｉｔｅｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅｌｌ：ｓｔａｃｋ：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
PEM燃料电池操作参数优化实验
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｍａｘｉｍａｌ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ａｔ
３４３ Ｋ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａ．
ｔｕｒｅ
ａｔ
３３３ Ｋ：ｔｈｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｃｓ ｍｏｎｏｔｏｎｏｕｓｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ；ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｏｒ
ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ
ａｒｅ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ
ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｉｓ ｌｏｗ ｆｏｒ ｏｎｌｙ ａｎｏｄｅ
ｃａｔｈｏｄｅ ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｔｏ ｋｅｅｐ ｇｏｏｄ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｔＯＯ
ｏｆ
Ｎｏｖ．２００６
ＰＥＭ燃料电池操作参数优化实验
高晓佳，孙 红，吴玉厚，张珂
（沈阳建筑大学交通与机械工程学院，沈阳１１０１６８）
摘要：质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池操作参数的优化是提高其性能和稳定性的重要手段。介绍了燃料电池测试 系统的主要功能和使用方法，并运用此系统试对ＰＥＭ燃料电池动态特性进行了测试。分析了操作参数对ＰＥＭ燃 料电池性能的影响。研究结果发现：仅加湿空气或氢气，电池电流密度低，为了获得良好的电池性能，空气和氢气 必须同时加湿；电池的加热温度过高或过低，ＰＥＭ燃料电池的电流密度都很低；加湿温度过低时的电池电流密度 比加湿温度过高时的电池电流密度更低；电池温度３４３ Ｋ扣加湿温度３３３ Ｋ时，燃料电池的电流密度最大；加大反 应气体空气的流量，燃料电池的电流密度一直增大；而增大氢气流量时，电池的电流密度先增大，而后趋于平稳。 实验结果对于促进ＰＥＭ燃料电池的商业化具有重要意义。 关键词： 质子交换膜（ＰＥＭ）； 燃料电池；
PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述-燃料电池论文
PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。
双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件, 其质量占电池堆60%以上。
流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。
系统地综述了现有的流道设计, 剖析了流道的功能及其对电池性能的影响, 并在此基础上讨论了流道设计的设计要点。
关键词: 质子交换膜燃料电池；双极板；流道设计质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源【1】。
双极板是 PEMFC 的重要部件, 其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。
实际上, 燃料电池堆的设计很大程度上就是双极板的设计。
据文献报道,适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右。
流道结构决定反应气与生成物在流道内的流动状态,设计合理的流道可以使电极各处均能获得充足的反应气并及时排出生成的水, 从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。
流场的设计要满足以下几个方面的条件:(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应剂供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂。
特别是对十大面积的电极尤为重要，电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是造成电池性能下降的主要原因之一。
(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流场沟槽的面积应有一个最优值。
沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极板的开孔率，其值应在40%～75%之间。
开孔率太高会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加电池的欧姆极化损失。
(3)由流场结构所决定的反应剂在流场内的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应点的传递，并能促进反应产物的顺利排出。
(4)在一定的流量下，反应剂通过流场的压力降要适中，一般为千帕的数量级。
压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则不利于反应剂在并联的多个单节电池间的分配。
大活性面积PEMFC的电流密度分布
大活性面积PEMFC的电流密度分布
刘志祥;吴兵;王利生;毛宗强
【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2009(039)001
【摘要】利用安装在阳极端板上的35只子电池,测定了活性面积为400 cm2的单体质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作中的电流密度分布.实验结果显示,对大面积燃料电池而言,由于端板紧固过程中带来的应变,容易造成中心部分的电流密度偏低.分析了进一步研究需要考虑的因素,如极板的腐蚀、分割测试的等效性和分割引起的问题等.
【总页数】3页(P12-14)
【作者】刘志祥;吴兵;王利生;毛宗强
【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京,100084;北京飞驰绿能电源技术有限责任公司,北京,100094;北京飞驰绿能电源技术有限责任公司,北
京,100094;清华大学核能与新能源技术研究院,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.42
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PEM燃料电池效率和特性的研究
t/min:s v/ml 225 200 175 150 125 100 75 50 t=540s 25 25 25 25 0:00 9:05 0:00 9:07 0:00 8:57 0:00 8:51 U=0.75V
U/V 0.75 0.75 0.75 0.73 0.75 0.75 0.75 0.74 I=0.35A
24
I=2.01A
表3.2
U=1.83A
v/ml 0 25 50 75 100 125 150 175 t/min:s 0:00 1:42 3:24 5:07 6:49 8:34 10:15 12:03 t/s 0 102 204 307 409 514 615 723
25
根据 就可以算出电解的效率。 就可以算出电解的效率。
PEM燃料电池效率和特性的研究 PEM燃料电池效率和特性的研究
1
目录
实验目的 实验仪器 实验原理与计算 实验步骤 总结
2
实验目的
绘制水的电解特性曲线。 绘制水的电解特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 绘制燃料电池特性曲线。 测量水的电解效率。 测量水的电解效率。 测量燃料电池的效率。
3
实验仪器
6
图二：
7
电解过程中发生的反应如下： 电解过程中发生的反应如下：
阳极
2H2O → 4e + 4H + O2
4 H + 4e → 2 H 2
2 H 2O → 2 H + O2
8
−
+
阴极
+
−
总反应
2
图三：
9
图四：
10
燃料电池中发生的反应如下: 燃料电池中发生的反应如下
PEM燃料电池的流场设计
与扩散层交界面的氧气摩尔浓度分布 ， 图 ３中 从 可看出 ， 随着 反 应 的进行 ， 氧气 的消 耗 ， 沿着 流 道 的进 口到 出 口 ， 氧气 的摩 尔浓 度逐渐 变小 ， 流道 且 下 的氧气摩尔浓度 明显 高于岸下 的氧气摩 尔浓 度 。其 中 ， 行 直 流道 的进 口氧 气 摩 尔浓 度 平 均 平
高 电池 的性能具 有 十分重 要 的意义 。通 过计算 流 体 软件 Ｆｕｎ 对 ３种 典 型流 场 的 Ｐ Ｍ 燃 料 电池 ｌｅｔ Ｅ 进 行 了数值 模拟 ， 到 的结 论将 有益 于 Ｐ Ｍ 燃 料 得 Ｅ 电池 流场 的结构 优化 。
专 ＋ （ ｋ： Ｌ。ｃ ＋ （ ． ） ．ｒｖ）ｓ ４ Ｃ ｆ ￣ ｅ ｆ ）
４６ １
武 汉理 工大学学报 ・ 信息与管理工程版
２１ ０ １年 ６月
之 间的氧气 浓 度 差值 ， 图 ３ ｃ 所 示 ， 是 这 种 如 （） 正 特性 使得 多蛇 形 Ｉ表 现 出 比多 蛇形 Ｉ 好 的氧气 Ｉ 更
分 布 均匀性 。 ２ ３ Ｐ Ｍ 中水含 量 的分布 ． Ｅ
１ 数学模型
１ １ 控 制方程 ．
选用的 ３ 种单电池模型为平行直流道 、 三通 道多蛇形流场 Ｉ Ｉ， 和 Ｉ 其流场结构如图 １ 所示 ， 其
质子交换膜燃料电池内部包含流体的流动 、 多
收 稿 日期 ：０ ０—１ ２１ ２—１ ． ４
作者简介 ： 周
方（９９一）女 ， １７ ， 湖南攸县人 ， 福建工程学院机电及 自动化工程 系讲师
・
（ｒ ｏ ）＋Ｓ ． 。 。＝０ （ ｒ ｏ ）＋Ｓ ． ＝０ （） ５
储能解决方案—质子交换膜(PEM)燃料电池站
储能解决方案—质子交换膜(PEM)燃料电池站在最近几年，对于可再生能源的开发利用急剧增长。
根据美国能源信息管理局的报告(EIA)[1]，在2013的上半年，可再生能源占美国总能源消耗的9.81%和总能源生产的11.82%，相比十年前，其比例约高出了60%。
然而，随着可再生能源的增长，其价值的争论从未停止。
人们主要关注的问题是可再生能源发电并网后是否能够产生足够的实际的经济价值。
由于大部分的可再生能源，特别是风能和太阳能，坐落在人口较少的地区，远离电网，导致将电力传给用户需要巨大的费用。
此外，太阳能不连续性的自然特性和其发电不易并网的特点导致了严重的电力闲置问题，这进一步增加了可再生能源发电的生产成本。
但随着技术的发展和电网的扩展，到2018年，发电成本预期将达到风能为0.14美元/kwh、太阳能为0.08美元/kwh，但这仍然比天然气(0.06美元/kwh)的售价更昂贵[1]。
评论家甚至认为风力/太阳能发电将产生更多的二氧化碳排放量，因为发电过程中需要更多的煤来维持电网的稳定性。
一定程度上他们可能是对的，但这并不意味着发展可再生能源是没有意义的，因为在存储能源的方案得到应用后，现存问题都可以有效地解决。
随着能源存储系统的帮助，必要时，过多的可再生能源，可以在电力需求低时保留下来用于用电需求高的时候。
据估计，可再生能源的利用率可以从30%提高到60%，预计将减少电力生产成本的一半。
此外，从能源存储装置中产生的再生电力是非常稳定、连续的，所以不需要更多的煤来维持电网的稳定性。
唯一的问题是：目前存在有效的能源储存的解决方案吗?答案是肯定的!电池系统已被广泛用于储存多余的太阳能。
到目前为止，由于相关技术的成熟和铅低廉的价格，铅酸电池系统是最具成本效益的电池系统。
其对环境的负面影响也是最小的(由于铅的回收率高----97%铅可回收用于生产新的电池)。
但由于电极硫化引起的相对较短的使用周期，在某种程度上限制了它的应用。
PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述-燃料电池论文
PEM燃料电池双极板流道结构及设计要点之综述摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源。
双极板(流场板)是质子交换膜燃料电池的重要部件, 其质量占电池堆60%以上。
流场板上的流道设计对电池性能、运行效率和制造成本有很大影响。
系统地综述了现有的流道设计, 剖析了流道的功能及其对电池性能的影响, 并在此基础上讨论了流道设计的设计要点。
关键词: 质子交换膜燃料电池；双极板；流道设计质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高效率、高比能量、低污染等优点被认为是一种适合人类发展和环境要求的理想电源【1】。
双极板是 PEMFC 的重要部件, 其两面都有加工出的流道,起着分布反应气、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。
实际上, 燃料电池堆的设计很大程度上就是双极板的设计。
据文献报道,适当的流道设计能够使电池性能提高50%左右。
流道结构决定反应气与生成物在流道内的流动状态,设计合理的流道可以使电极各处均能获得充足的反应气并及时排出生成的水, 从而保证燃料电池具有较好的性能和稳定性。
流场的设计要满足以下几个方面的条件:(1)流场设计的基本原则是保证在一定的反应剂供应量情况下，电极各处均能获得充足的反应剂。
特别是对十大面积的电极尤为重要，电极工作面积放大过程中流场设计不合理往往是造成电池性能下降的主要原因之一。
(2)依据电极与双极板材料的导电特性，流场沟槽的面积应有一个最优值。
沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极板的开孔率，其值应在40%～75%之间。
开孔率太高会造成电极与双极板之间的接触电阻过大，增加电池的欧姆极化损失。
(3)由流场结构所决定的反应剂在流场内的流动状态，应有利于反应剂经电极扩散层向催化层反应点的传递，并能促进反应产物的顺利排出。
(4)在一定的流量下，反应剂通过流场的压力降要适中，一般为千帕的数量级。
压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则不利于反应剂在并联的多个单节电池间的分配。
质子交换膜燃料电池PEMFC
16
膜電極組基本結構
(襯墊) (觸媒層和陽離子 交換膜組合) (襯墊)
(流道板) (電流收集極)
17
電池性能圖
18
電池性能圖說明
對於一般質子交換膜燃料電池（PEMRFC）用電極，由於膜與電極不是緊密地 聯結在一起，用於PEMRFC電解時會使膜與電極分離，使電解性能差；並且由 於作爲擴散層的碳紙中，PTFE的含量太高，防水性強，使電解性能很差。可 逆式再生氫氧燃料電池，要求電極具有雙效性，即既能催化發生燃料電池反 應，又能催化發生電解反應。針對這種特徵，我們設計一種雙層催化層電極， 即首先在質子膜的兩側化學鍍pt、Ir，作爲水電解反應的催化層，然後製作 類似於PEMFC用電極，其催化層主要催化燃料電池反應。PEMRFC採用雙層催化 層後燃料電池性能如圖3所示，其中氫氧氣操作壓力爲0.3Mpa，採用Nafion 115 膜，氫氧氣的尾氣排放量爲化學計量值。從圖中可以看出，隨著操作溫 度的升高，電池性能提高。這是因爲升高溫度有利於提高電化學反應的速度 和質子在電解質膜中的傳遞速度。當電流密度爲500mA/cm2時，80℃RPEMRFC 電池電壓爲0.65V,同PEMFC相比（沒有畫圖，當電流密度爲500mA/cm2時， 80℃PEMFC電池電壓爲0.71V）有一定差距。這主要是由於PEMRFC氧電極催化 層中含有一層化學鍍銥，而銥對氧氣還原催化活性很小，電極反應過程中， 質子只有通過這層銥催化層，才能達到鉑催化劑的活性位上反應，從而增加 了質子傳遞阻力，使電池性能下降。
第三章
質子交換膜燃料電池 (PEMFC)
1
大
綱
質子交換膜燃料電池(PEMFC)簡介 原理 特點 關鍵元件 幾種常用之質子交換膜物理特性之比較
质子交换膜燃料电池大电流密度下运行工况优化研究
质子交换膜燃料电池大电流密度下运行工况优化研究张洪凯;詹志刚;何晓波;帅露;隋邦杰;潘牧【摘要】利用计算流体动力学软件,针对在大电流密度、阴极无加湿、阳极加湿,阴阳极有背压等操作特点下运行的PEM电池进行数值模拟,综合考虑电池性能和电流密度分布的均匀性,寻求最优工况点.结果表明,对于给定的操作压力,存在一个最佳性能温度,压力增加,最佳温度随之增加,在压力为100,200,300 kPa时,最佳性能温度分别为75,60,50 ℃;由于阴极不加湿,在最佳性能温度点膜含水量分布及电流密度分布不均匀;在较低温度下运行时电流密度分布均匀性随着压力的增加逐渐提高,但在较高温度下运行时则相反.%Considering the performance and uniformity of the current density distribution, CFD software is used in this paper to simulate the PEM cells, which operate at large current density, no cathode humidification but full anode humidification, and backpressure, to seek for the optimized operating point.The main conclusions are as follows: for a given operating pressure, there is an optimal temperature which makes the fuel cell have the best performance, and the optimal temperature increases with the pressure;the best temperatures for 100,200 and 300 kPa are 75,60 and 50 ℃, respectively.Since the cathode is not humidified, the membrane water content distribution and current density distribution are not uniform at the optimum performance temperature point;the current density distribution uniformity increases with pressure at lower temperatures, but it has the opposite trend at higher temperatures.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2017(041)003【总页数】5页(P523-527)【关键词】质子交换膜燃料电池;电流密度;水传输;运行工况;优化【作者】张洪凯;詹志刚;何晓波;帅露;隋邦杰;潘牧【作者单位】武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉 430070;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉 430070;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉 430070;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学能源与动力工程学院武汉 430063;武汉理工大学汽车工程学院武汉 430070;加拿大维多利亚大学机械系集成能源系统实验室维多利亚市 V8W 2Y2;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉 430070【正文语种】中文【中图分类】TM911.4在化石能源面临枯竭和环境污染日益严重的今天，寻找一种高效、无污染的新型能源成为了亟待解决的问题，质子交换膜(PEM)燃料电池因其高效率、高功率密度、低污染等优点广泛受到人们的关注.PEM燃料电池可以应用于汽车、航天、移动充电设备等领域，被认为市场潜力十分巨大[1].由于市场应用的需求，PEM电池体积不断减小而功率密度不断增加，日本丰田汽车公司于2014年推出了MIRAI 燃料电池汽车，其电堆的质量功率密度和体积功率密度达到2.0 kW/kg和3.1kW/L[2].电池堆在大功率下运行，电流密度往往也较高，可能高达1.5～2.5A/cm2，因此，一般需要增加背压，以提高反应气体浓度；同时电池生成水较多，合理利用生成水，可以简化或去掉加湿系统.因此研究膜电极内部水、气传输及分布规律，寻找最优工况点，对电池高效、稳定、持久运行，具有重要意义.Su等[3-4]通过模拟方法探索了温度、湿度、压力、气体过量系数等操作参数对电池性能的影响.Kim等[5]分析了反应气体加湿度对燃料电池性能的影响，认为阳极充分加湿而阴极不加湿的条件下质子交换膜仍能被充分润湿.Amirinejad等[6]研究操作条件对电池性能的影响发现，在操作压力较高的条件下提高温度会使得电池性能提高.Santarelli等[7]通过实验发现，只有阳极加湿的燃料电池性能会随着操作压力的提高而明显提高，同时还能够提高电池稳定性.Jang等[8]通过研究发现，阳极加湿温度提高会使得电池性能提高.文中针对在大电流密度、阴极无加湿、阳极加湿，阴阳极有背压等操作特点下运行的PEM电池，利用计算流体动力学软件，进行数值模拟，寻找电池最佳工况点.获得的结论对于PEM电池的设计和操作具有参考意义.1.1 几何模型根据实际金属板电池结构，建立三维单流道电池模型，因其结构对称，为减少计算量，选取1/2流道区域建模，见图1.外围尺寸为50 mm×1.1 mm×1.435 mm，活性面积为55 mm2，气体和冷却水流道宽度与深度为0.5 mm×0.4 mm，集流板厚度0.1 mm，气体扩散层厚度0.2 mm，催化层厚度0.01 mm，膜厚度0.015 mm.在进行网格灵敏性验证后，确定总网格总数为89 000个.1.2 控制方程质子交换膜燃料电池是一个多相、多尺度的复杂系统.其内部流道及多孔介质内气体的扩散、水的相变及流动，催化层内部的电化学反应、水在质子交换膜内的传递都同时发生并且相互耦合.描述上述现象及过程的主要控制方程包括如下的质量守恒方程、动量守恒方程、组份守恒方程、能量守恒方程、电荷守恒方程等. +·(ερu)=Sm+·(ερuu)=-εp+·(εμu)+Su+·(ερcpu θ)=·(keffθ)+SQ(ερck)+·(ερuck)=ck)+Sk(σeleΦele)+Sele=0(σionΦion)+Sion=0式中：ρ为组分的密度；ε为孔隙率；t为时间；Sm为质量源项；为速度；p为压力；μ为粘度；Su为动量源项；cp为比定压热容；θ为温度；keff为有效导热系数；SQ为能量源项；ck为组分浓度；Deffk为组分有效扩散系数;Sk为组分源项；σele和σion为电子电导率、质子电导率；Φele和Φion为固相电势、膜相电势；Sele和Sion为电子电流源项、质子电流源项.1.3 操作条件文中主要研究阳极和阴极加湿度分别为100%，0%条件下大电流运行时电池最优性能.阴阳极过量系数分别为1.5和2.5，出口背压50，100，150，200 kPa，操作温度和反应气体的温度为50，60，70，80，90 ℃.主要电化学参数及反应气体物性见表1[9-10]，电池主要部件材料物性见表2[11-12].图2为模拟与实验测试伏安曲线对比，由图2可知,模拟值与实测值基本一致，同时也验证了该模型可靠性.图3为1.5 A/cm2时不同操作条件下电池的电压.随着操作压力的增加，因为反应气体浓度增加，电池性能也逐渐增加.在相同压力下，存在一个最佳性能的操作温度.例如，在压力为300 kPa时，随着温度从50 ℃开始增加，电池性能渐渐增加，在75 ℃左右到达最大值，之后又逐渐降低，这是因为电池性能受到氧气浓度和膜润湿性两个因素的影响.在温度较低时，液态水容易生成，催化层中液态水相饱和度较高，使得膜润湿性较好，内阻较低；但同时较高的液态水相饱和度阻碍了反应气体的传输，不利于电化学反应的进行；温度继续增加，两种作用的趋势相反，膜逐渐变得过于干枯，内阻增加，电池性能下降；在75 ℃左右时这种综合作用得到了最佳的性能.图4为300 kPa下不同温度时催化层中间平面液态水相饱和度分布.沿气体流道从进口到出口方向，水汽逐渐积累，相饱和度也逐渐增加；右半边处于冷却水流道下而左半边处于气体流道下，温度差异导致右边液相饱和度总体高于左半边.在50 ℃时，液相饱和度(即液态水占据的孔隙体积比例)高达17%，并且范围较大，这种状态必然有利于膜的润湿而阻碍氧气的传输.随着温度的升高，液相饱和度逐渐降低，80 ℃时仅局部有少量液态水，90 ℃时所有反应面积上都为干的.图5为300 kPa下膜中中间平面上磺酸基团水含量分布.其总体分布和液相饱和度的分布是一致的，随着温度的升高，水含量降低，即膜的润湿性降低，质子电阻升高.图6是过量系数为2.5，温度为70 ℃时Δq随着操作压力的变化关系，Δq定义为反应生产水与阴极出口气体以饱和状态带走的水的差值.由图6可知，Δq随着压力升高而增加，说明升高操作压力可以使较多的水保留在MEA中，有益于膜的润湿；降低操作压力，被空气带走的水增加，MEA剩余的水分减少，因此膜容易变干，为保持膜较佳的润湿状态进而保持膜的性能，需要操作降低温度.在操作压力为200 kPa和150 kPa时，电池性能最优时对应的温度分别为60 ℃和55 ℃，这些点构成了电池性能最优的温度控制曲线，见图3.图7是操作压力为100 kPa下不同温度膜中间平面水含量.同样的电流密度与温度下，与图5相比较，膜的润湿状态显著下降，反应在图3中，是电池性能显著下降.图3中在100 kPa等操作压力下电池性能并非单调变化，温度增高时阴极侧膜润湿性降低，但阳极侧保持100%加湿，实际带入的水汽量增加，膜阳极侧以及膜整体的润湿有所改善；即使膜中水含量一定，随着温度的升高，水在膜内扩散系数会增加，水在膜内的分布会更加均匀，因此性能反而有增高趋势，但总体上增量不大.人们除了希望PEM电池能有最佳的电输出性能外，同时也希望在活性面积上电流密度等各物理场能均匀分布，这样才可以使得电池长久、稳定运行.图7和图5对比，同样的温度下，压力较高时膜中水含量分布较为均匀；同样的压力下，在温度较低时因催化层液态水较多，使得膜中水含量较高且分布较为均匀.图8为50 ℃与75 ℃时不同压力膜中间面的电流密度分布.其中横坐标为活性面积上出现的电流密度范围，从0.9到2.1 A/cm2，以0.1 A/cm2分档计算.在50 ℃、 300 kPa下，大部分区域工作电流密度为1.5～1.8 A/cm2，而随着操作压力的降低，工作电流密度逐渐分散在更大区域内，也即分布更加不均匀，这和前面分析的膜的水含量分布规律是一致的.在75 ℃ 100 kPa下，大部分区域工作电流密度为1.5～1.8A/cm2，显得比较均匀，这是因为此时膜偏干，膜干的“比较均匀”，而随着操作压力的增加，膜总体的润湿性提高，但并不均匀，使得工作电流密度逐渐在更大区域内分散，也即分布更加不均匀，这种分布状态不利于对电池长久、温度运行，因此还需要在结构设计和运行管理方面进行改进.1) 在1.5 A/cm2、阳极100%加湿、阴极无加湿条件下，随着操作压力的增加，电池性能增加.2) 对于给定的操作压力，存在一个最佳性能温度，压力增加，最佳温度也随之增加，在压力为100，200，300 kPa时，最佳性能温度分别为75，60，50 ℃.3) 由于阴极不加湿，在最佳温度时膜中的含水量分布及电流密度分布不均匀；在较低温度下运行时电流密度分布均匀性随着压力的增加逐渐提高，但在较高温度下运行时则相反.【相关文献】[1]YUN W, KEN S, CHEN Y, et al. A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: technology, applications, and needs on fundamental research[J]. AppliedEnergy,2011,88:981-1007.[2]DONG H J, KWANG N K, SEUNG M B, et al. The effect of relative humidity of the cathode on the performance and the uniformity of PEM fuel cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2011,36:12499-12511.[3]SU A, FERNG Y M, SHIH J C. CFD investigating the effects of different operating conditions on the performance and the characteristics of a high-temperature PEMFC[J]. Energy,2010,35:16-27.[4]SUKKEE U, WANG C Y. Computational study of water transport in proton exchange membrane fuel cells[J]. Journal of Power Sources,2006,156:211-223.[5]KIM H Y, KIM K. Numerical study on the effects of gas humidity on proton-exchange membrane fuel cell performance[J]. Hydrogen Energy,2016(1)：1-8.[6]AMIRINEJAD M, ROWSHANZAMIR S, MOHAMMAD H, et al. Effects of operating parameters on performance of a proton exchange membrane fuel cell[J]. Journal of Power Sources,2006,161:872-875.[7]SANTARELLI M G, TORCHIO M F. Experimental analysis of the effects of the operating variables on the performance of a single PEMFC[J]. Energy Conversion and Management,2007,28:40-51.[8]JANG J H, CHIU H C, YAN W M, et al. Effects of operating conditions on the performances of individual cell and stack of PEM fuel cell[J]. Journal of Power Sources,2008,180:476-483.[9]CORINNA H, FRANK K, ALEXANDER D. Study of the influence of key test parameters on the performance of a PEMFC stack[J]. Solid State Ionics,2015,275:75-79.[10]HOMAYOON K, MEHRZAD S, MOHAMMADREZA H, et al. Model development and optimization of operating conditions to maximize PEMFC performance by response surface methodology[J]. Energy Conversion and Management,2015,93:9-22.[11]HUANG C P, JIANG R C, ELBACCOUCH M, et al. On-board removal of CO and other impurities in hydrogen for PEM fuel cell applications[J]. J Power Sources,2006,162:563-71.[12]MIN C H, HE Y L, LIU X L, et al. Parameter sensitivity examination and discussion of PEM fuel cell simulation model validation part II: results of sensitivity analysis and validation of the model[J]. Journal of Power Sources,2006,160:374-385.。
pem电解 电流密度
pem电解电流密度【原创版】目录1.PEM 电解的基本原理2.PEM 电解中的电流密度3.电流密度对 PEM 电解的影响4.结论正文一、PEM 电解的基本原理PEM（Proton Exchange Membrane，质子交换膜）电解是一种利用质子交换膜作为电解质溶液的方法，通过外加电压，将水分解成氢气和氧气。
在 PEM 电解过程中，质子交换膜起到了电解质溶液的作用，同时还能防止氢气和氧气在电解过程中发生混合。
这种方法具有较高的电解效率和较快的反应速率，被广泛应用于氢气和氧气的生产领域。
二、PEM 电解中的电流密度在 PEM 电解过程中，电流密度是一个重要的参数，它是指通过质子交换膜的电流强度与膜面积之比。
电流密度的单位通常是安培/平方米（A/m）。
电流密度的大小直接影响到 PEM 电解的效率和产气速率。
一般来说，电流密度越大，电解效率和产气速率越高，但同时也会增加电解过程中的能耗和成本。
三、电流密度对 PEM 电解的影响1.电流密度与电解效率：在一定范围内，随着电流密度的增加，PEM 电解的效率也会提高。
这是因为增加电流密度可以提高反应速率，从而提高产气效率。
然而，当电流密度过大时，电解效率可能会下降，因为此时电解过程中的副反应会增加，导致产气效率降低。
2.电流密度与能耗：电流密度越大，通过质子交换膜的电流强度就越大，从而产生的热量也越多。
这会导致电解过程中的能耗增加，降低电解的能效。
3.电流密度与膜寿命：电流密度过大可能会对质子交换膜造成损伤，从而降低膜的使用寿命。
因此，在实际应用中，需要选择合适的电流密度，以保证膜的稳定性和寿命。
四、结论PEM 电解是一种高效、快速的产氢产氧方法，其中电流密度是一个重要的参数。
合适的电流密度可以提高 PEM 电解的效率和产气速率，同时降低能耗。
然而，过大的电流密度可能会导致电解效率降低、能耗增加以及膜寿命缩短。
燃料电池电流密度解析
燃料电池电流密度解析燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，其工作原理是通过氢气与氧气的反应来产生电流。
而燃料电池的关键指标之一就是电流密度。
本文将对燃料电池电流密度进行解析，并探讨其影响因素以及对电池性能的影响。
1. 什么是电流密度？电流密度是指通过燃料电池单元面积上的电流值。
它通常以单位面积上的电流（A/cm²）来表示。
电流密度的大小是评估燃料电池性能和效率的重要指标。
较大的电流密度意味着电池能够产生更多的电能，因此在实际应用中，我们希望能够尽可能提高电流密度。
2. 电流密度的影响因素燃料电池的电流密度受到多个因素的影响，以下是其中一些重要的因素：2.1 燃料供应燃料电池的主要燃料是氢气，它可以通过多种途径供应，如氢气气瓶或者直接从氢气生产设备中得到。
燃料供应的稳定性和纯度将直接影响到电池的运行效果和电流密度。
较高的纯度和稳定的氢气供应可以提供更高的电流密度。
2.2 氧气供应燃料电池的另一个主要元素是氧气。
在空气中获取足够的氧气是燃料电池正常运行的关键。
较好的氧气供应将有助于提高电池的效率和输出电流密度。
2.3 催化剂催化剂在燃料电池中起到重要作用，它促进燃料和氧气的反应，并提供电流输出。
催化剂的活性，稳定性和负载量将直接影响到燃料电池的电流密度。
较好的催化剂将提高电池的效率和电流输出。
2.4 温度燃料电池的温度对其性能有着重要影响。
过低的温度将导致氢气和氧气反应速率降低，抑制电池的输出。
而过高的温度则可能会导致部分反应途径的失活。
温度的控制对于确保电池在合适的工作温度范围内是至关重要的。
3. 电流密度与电池性能的关系电流密度直接影响燃料电池的功率输出和效率。
一般而言，较高的电流密度将带来更高的功率输出，但也伴随着一些问题。
当电流密度过高时，极限电流密度趋于饱和，过高的转化损失会导致效率的降低。
在实际应用中，需要在功率输出和效率之间进行权衡。
不同应用需要的电流密度也不尽相同，因此对于不同燃料电池系统，需要选择适当的电流密度来平衡其性能和效率。
PEM燃料电池的工作原理
PEM燃料电池的工作原理近年来印度的发电和输电能力已得到了显著的改善，但仍有 2.1％的能源缺口，并且约有 2 万个村庄没有纳入电网覆盖范围。
不仅如此，通往城乡的电力供应仍旧不稳定。
因此，柴油发电机被大范围地应用于分散式供电。
柴油发电机（图 1 左）虽然价格低廉，但普遍效率低下，同时会对周边环境和居民的健康带来潜在危害。
图1. 左图：为印度的电信塔供电的柴油发电机。
右图：PEM 燃料电池。
为解决这一难题，印度国家化学实验室（National Chemistry Laboratory，简称NCL）联合印度科学与工业研究理事会（Council of Scientific and Industrial Research，简称CSIR）下属的两所实验室——中央电化学研究所（Central Electrochemical Research Institute，简称CECRI）和国家物理实验室（National Physical Laboratory，简称NPL），着手研究清洁、高效、可靠的发电技术为电信塔供电，并期望最终能够为建筑物提供能源。
质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，简称PEM 燃料电池或PEMFC，见图1）是一种兼顾了成本和污染问题的理想解决方案。
如今许多应用中都能看到PEM 燃料电池的身影，它正逐步替代传统的电力技术。
燃料电池的优势明显：碳排量小、噪音低、燃料兼容性强，与其他可再生能源解决方案具有良好的互补性，因此适用于交通运输、住宅楼、办公室以及一些工业领域。
PEM 燃料电池系统的总转换效率超过30％（柴油发电机约为22%~25%），当使用纯氢气发电时，排放物只有水蒸气。
PEM 燃料电池的工作原理PEM 燃料电池中包含一个膜电极组件（membrane electrode assembly，简称MEA），由气体扩散层、电极和聚合物电解质膜构成。
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PEM燃料电池膜中电流密度分布及电池性能李湘华1,2，覃有为2,3，肖金生2,31广西玉林柴油机厂，广西537000；2武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，3汽车工程学院，湖北430070摘要：为了研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）膜中电流密度分布及电池性能的影响因素，利用FLUENT软件的燃料电池模块进行了单流道电池的数值模拟，得到了在阴阳极加湿温度和电池运行温度等条件不同的情况下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论了阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度、气体扩散层孔隙率等参数对燃料电池性能的影响。
结果表明随阴极加湿温度的提高，在低电流密度运行时膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高，在高电流密度运行时扩散层中液态饱和度增加，燃料电池性能下降；随阳极加湿温度的提高，膜的润湿条件改善，燃料电池性能提高；随燃料电池运行温度的提高，扩散层中液态饱和度下降，燃料电池性能提高;随气体扩散层孔隙率增加，气体扩散层阻力减小，燃料电池性能提高。
模拟结果与实验结果基本吻合，这说明计算数学模型是合理的，FLUENT计算结果是可信的。
关键词：质子交换膜；燃料电池；模拟质子交换膜燃料电池输出电压随电流密度的增加而减小，这主要是由于存在各种极化的影响。
质子交换膜的电阻和膜的润湿状况有很大关系，膜的润湿条件好，膜电阻则低，反之则膜电阻变得非常大，欧姆极化也就很大，燃料电池性能下降[1]。
而燃料电池膜中电流密度对质子交换膜中水含量有着非常重要的影响，在低电流密度时，由于电化学反应生成水量以及电拖引起的水迁移量都较少，所以膜中水含量相对比较均匀；而在高电流密度运行时，即使进行阳极加湿，膜的阳极侧也有失水干凅的危险[2]。
因此，质子交换膜燃料电池中影响电池性能和膜中电流密度分布的各种因素是我们必须要给予特别注意的问题。
本文首先讨论了表1各个系列条件下质子交换膜中电流密度的分布特点，然后讨论阳极加湿温度、阴极加湿温度、燃料电池运行温度等因素对燃料电池性能的影响。
1 计算模型本文采用FLUENT软件的燃料电池模块进行了模拟计算。
由于许多燃料电池运行参数和结构参数都对电池性能有影响，本文针对单流道燃料电池，详细研究了燃料电池运行温度，阳极和阴极加湿温度、扩散层孔隙率等因素对质子交换膜中电流密度和电池性能的影响。
为了分别研究各个参数的影响，采用的方法是将其他所有参数固定，而只改变其中一个参数，从而将计算结果进行比较，分析该参数的影响。
2质子交换膜中电流密度的分布在质子交换膜中，在穿过膜的方向上电流密度的变化较小，所以选取质子交换膜正中间平面（y＝0）上的电流密度分布进行讨论。
为了使膜中电流密度的分布更直观，选取该平面上靠近近口（z＝－0.005）、流道中间（z＝－0.025）、靠近出口（z＝－0.045）三个位置处的三条线上电流密度随坐标x的变化关系曲线进行讨论。
2.1 燃料电池运行温度对膜中电流密度分布的影响图1(a)是在平均电流密度都为0.6A/cm2、不同燃料电池运行温度下膜中间位置上（即z＝－0.025位置）电流密度分布比较图。
在平均电流密度相同的情况下，膜中电流密度最小值随燃料电池运行温度的提高而降低，膜中电流密度分布更加均匀。
这是因为在燃料电池运行温度提高时，气体扩散层和催化层中液态饱和度下降，气体扩散阻力减小，所以到达岸下方催化层表面的气体增多，所以最小电流密度增加。
2.2阴极加湿温度对膜中电流密度分布的影响图1(b)是在系列2不同燃料电池阴极加湿温度下膜中间位置上电流密度分布比较图。
从图中可以看出：在阳极保持70℃加湿不变的条件下，膜中电流密度的均匀度随阴极加湿温度的提高而降低。
这是因为随着阴极加湿温度的提高，阴极加湿量增加，在相同平均电流密度下，阴极气体扩散层和催化层中水的液态饱和度增加，气体扩散阻力增加，通过扩散到达岸下方的气体量减小，所以最小电流密度下降，电流密度均匀度下降。
2.3 阳极加湿温度对膜中电流密度分布的影响图1(c)是在系列3不同燃料电池阳极加湿温度下膜中间位置上电流密度分布比较图。
从图中可以看出：在阴极保持70℃加湿不变的条件下，膜中电流密度的均匀度随阳极加湿温度的提高而降低。
这是因为随着阳极加湿温度的提高，阳极加湿量增加，在相同平均电流密度下，气体扩散层和催化层中水的液态饱和度增加，气体扩散阻力增加，通过扩散到达岸下方的气体量减小，所以最小电流密度下降，电流密度均匀度下降。
2.4气体扩散层孔隙率对膜中电流密度分布的影响图1(d)是在不同扩散层孔隙率下膜中电流密度的分布。
从图中可以看出：随着气体扩散层孔隙率的减小，膜中电流密度均匀度明显下降，这是因为在气体扩散层孔隙率减小时，气体在扩散层中扩散时所受的阻力迅速增加，这样反应气体到达岸下方的量就迅速减小，这些地方的电流密度也迅速减小。
c u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x directionc u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x direction(a)不同的电池运行温度 (b) 不同的阴极加湿温度c u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x directionc u r r e n tde n s i t y (A /m 2)x direction(c) 不同阳极加湿温度 (d)不同孔隙率图1 不同参数对膜中电流密度分布的影响3 质子交换膜燃料电池的性能3.1 质子交换膜燃料电池阴极侧加湿温度对其性能的影响图2(a)是在燃料电池运行在60℃，阳极加湿温度固定为70℃，改变阴极加湿温度从不加湿到50℃加湿、70℃加湿条件下模拟计算出的性能曲线。
从曲线可以看出：1）当燃料电池阳极进行70℃加湿时，再在阴极也进行70℃加湿燃料电池性能比阴极不加湿、阴极50℃加湿的性能曲线都差。
这是因为在阳极进行了70℃加湿时，质子交换膜的润湿条件已经基本良好，当在阴极再进行70℃加湿时，阴极扩散层和催化层中的液态饱和就明显增加，这就导致阴极氧气扩散受阻，浓差极化增加，燃料电池的极限电流密度下降。
2）与阴极不加湿的性能曲线相比，阴极50℃加湿（少量的加湿）条件下低电流密度区性能较好，而极限电流密度却较低。
这是因为对阴极进行少量的加湿在低电流密度时有利于质子交换膜润湿状态的进一步改善，膜电阻进一步降低，燃料电池性能有所提高，而当电流密度较高时，阴极扩散中的液态饱和度较高，影响氧气的传输过程，导致极限电流密度下降。
3.2 质子交换膜燃料电池阳极加湿温度对其性能的影响图2(b)是在燃料电池运行在60℃，阴极加湿温度固定为70℃，改变阳极加湿温度从不加湿到50℃加湿、70℃加湿条件下模拟计算出的性能曲线。
从曲线可以看出：随着阳极加湿温度的提高，燃料电池性能明显改善。
这是因为在其他条件相同的情况下，随着阳极加湿温度的提高，阳极加湿量增加，燃料电池阳极反应气体中水含量增加，质子交换膜阳极侧的润湿条件改善，质子交换膜电阻减小，在欧姆极化区域斜率减小，所以燃料电池性能提高。
o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)(a)不同阴极加湿条件 (b)不同阳极加湿条件o u t p u t v o l t a g e (V )current density （A/cm2)o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)(c)不同运行温度 (d) 不同扩散层孔隙率图2 不同运行参数下模拟的性能曲线3.3 质子交换膜燃料电池运行温度对其性能的影响图2(c)是在阳极加湿温度固定为70℃、阴极不加湿、改变燃料电池运行温度从40℃到50℃、60℃条件下模拟计算出的性能曲线。
从曲线可以看出：在低电流密度下，燃料电池运行温度越高，性能越差，这是因为在只有阳极加湿的条件下，电流较小时，燃料电池电化学反应生成的水量较小，若燃料电池温度越高，则更多的水被蒸发成水蒸汽被带走，质子交换膜阴极侧的润湿条件变差，这样燃料电池的性能就下降。
在高电流密度时，随着燃料电池运行温度的提高，其性能提高，这是因为在高电流密度下，燃料电池阴极侧电化学反应生成的水较多，质子交换膜的润湿条件已经很好，随着运行温度的提高，越多的液态水被蒸发成水蒸汽，阴极扩散层和催化层中的液态饱和度下降，反应气体传输阻力较小，燃料电池浓差极化较小，同时极限电流密度提高。
3.4气体扩散层孔隙率对燃料电池性能的影响图2(d)是在其他条件相同的情况下，改变气体扩散层孔隙率从0.5到0.3的条件下性能曲线的比较。
从图中可以看出：在其他条件相同的情况下，减小气体扩散层孔隙率，燃料电池性能明显下降。
这是因为当气体扩散层孔隙率减小时，气体在扩散层中的扩散阻力增大，到达催化层表面的氧气量减小，燃料电池的浓差极化增加，极限电流密度下降。
4燃料电池模拟计算和实验结果的比较质子交换膜燃料电池的计算机模拟是建立一定的假设、物理和化学理论基础上，与实际的工作状态、性能变化不一定完全相一致。
为了验证计算数学模型的合理性，将在运行温度60℃、扩散层孔隙率为0.5时不同加湿条件下单流道燃料电池模拟计算的性能曲线和实验得到的性能曲线（实验数据来源于武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室燃料电池课题组丁刚强的测试结果，具体的测试方法和设备参考文献[3]。
）进行比较，比较结果如图3所示。
从图中可以看出实验值和模拟值吻合比较好，这就说明计算采用的数学模型是合理的。
o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2) o u t p u t v o l t a g e (V )current density (A/cm2)（a ）0℃/阳极70℃加湿 (b)阴极70℃/阳极50℃加湿图3 模拟性能曲线与实验性能曲线的比较5 结论a ）随着燃料电池阴极加湿温度和阳极加湿温度的提高，阴极扩散层水的液态饱和度升高，反应气体传输阻力增加，膜中电流密度分布均匀度提高。
b ）燃料电池的性能随阳极加湿温度和燃料电池运行温度的提高而升高，随气体扩散层孔隙率的减小而下降。
c ）在低电流密度区对阴极进行一定加湿有利于提高燃料电池性能，但是在高电流密度区燃料电池性能随阴极加湿量的增加而下降。
d ）模拟结果与实验结果基本吻合,这说明计算数学模型是合理的, FLUENT 计算结果是可信的。
参考文献[1] 王江, 施明恒. 燃料电池中质子交换膜干枯的热物理机制[J]. 工程热物理学报. 2003, 1(1):103~105.[2] Okada T, Ratkje S K, Gorseth O, et al. Membrane characteristics and water management in polymerelectrolyte fuel cells[J]. FuelCell Seminer, 1995:339.[3]丁刚强. PEMFC 带增湿槽道集流板的研究：[D]. 武汉：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，2005.Current Density Distribution and Performance of PEM Fuel CellXianghua Li 1,2, Youwei Qin 2,3, Jinsheng Xiao 2,31Yulin Diesel Engine Factory, Guangxi 537000, China ; 2State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, 3School of Automotive Engineering, WuhanUniversity of Technology, Hubei 430070, ChinaAbstract: In order to research the effective factors to the proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) performance, a single channel fuel cell is modeled by computational fluid dynamics software FLUENT. And the current density distributions in proton exchange membrane under different humidified and operating temperature are obtained. Then the effects of the current density and operating temperature, humidified temperature of cathode and anode, porosity of porous diffusion layer are discussed. The results show that when the cathode humidified temperature increase, the humidification of membrane and fuel cell performance improved at lower current density, while the saturation in diffusion layer increase and the performance decreases at higher current density. Humidification of membrane and fuel cell performance improved when the anode humidified temperature increase, the saturation in diffusion layer decrease and fuel cell performance improved when the fuel cell working temperature increase, the resistance of diffusion layer decrease and the performance improved when the porosity largen. At last, the simulation results are compared with the experimental results and they are basically the same. It shows that the computational model is reasonable and the simulation results from FLUENT are credible.Key Words: proton exchange membrane (PEM); fuel cell (FC); simulation。