质子交换膜燃料电池双极板导流场不同区域极化研究

  1：氢气进口；1'：氢气出口
  2：空气进口；2'：空气出口
  3：冷却水进口；3'：冷却水出口
A.第一块电池区域，B.第二块电池区域，C.第三块电池区域，D.第四块电池区域

3．结果与讨论

3.1温度对不同区域电池性能的影响

　　首先固定空气的计量比为2.5，氢气计量比为1.2，运行压力、氢气、空气都为0.1atm（相对压力），考察了50℃、55℃、60℃条件下的不同电池的伏安特性曲线。图5-图7为不同电池的电压、电流曲线。温度对第一块电池的伏安曲线没有影响，不论是在小电流还是在大电流，三种温度的曲线吻合的非常好。第二块电池的50℃、55℃伏安曲线非常吻合，当温度达到60℃时第二块电池的性能低于50℃、55℃的性能。第三块电池在50℃，20A时的电压为0.687V，随着温度的升高，伏安曲线的尾部逐渐抬高，性能变好，在60℃，20A时电压升高为0.717V。第四块电池受温度的影响最严重，在55℃，24.5A时电压已经降低到0.6V，当温度升高到60℃电压恢复到0.696V。

　　图8-图10为不同温度下四块电池的性能比较。在50℃与55℃，电池的性能是按下面的顺序排列的：第二块电池>第一块电池>第三块电池>第四块电池。在60℃条件下，电池的性能排序为：第四块电池>第三块电池>第二块电池，第一块电池。

　　燃料电池的流场对不同区域的电池性能是有很大影响的。在空气进口处由于氧气浓度含量最高，气体流速最快，气体中的水含量最少，容易把进口处通过电化学反应产生的水带走，在低温时这有利于电池具有好的性能，但是随着温度的升高容易使进口处电池中质子交换膜的含水量减少，使膜的质子传导能力下降，在相同电流下电池的电压降低。所以第二块电池在50℃、55℃下的性能基本相同，在60℃时的性能下降。同样的道理，氢气进口处的电池性能在低温时也具有好的性能，但是氢气的流量远小于空气的流量，所以在60℃时，质子交换膜还没有处于失水的状态，在50℃-60℃温度范围内第一块电池的性能没有大的变化，三种温度的曲线吻合的非常好。由于电化学产生的水大部分随着空气的流动被带到空气出口处，并且出口处的氧气浓度最低，所以在低温时会使氧气向催化剂的扩散困难，造成电池的性能下降。第四块电池受温度的影响最严重就是由此产生的。随着温度的升高，在空气出口处的液态水的含量减少，氧气向催化剂扩散又变得容易，而且膜是处于润湿状态，所以电池的性能提高。由反应产生的水会通过膜向氢侧反渗透，所以在氢侧出口附近的液态水也比进口处的水多，这也造成了第三块电池的性能受温度影响。

3.2空气计量比对不同区域电池性能的影响
　　空气计量比对电池的性能有很大的影响，图11-图14为55℃，不同电池在空气计量比为2.0-3.0范围内的伏安特性曲线。第一块电池在三种计量比下性能基本没有变化。第二块电池在计量比为2.5时的性能最好，然后随着计量比的增加电池性能下降。第三块、第四块电池的性能都随计量比的增加而增加，但是第四块电池受计量比的影响更大。图15-图18为不同电池在相同计量比下的性能比较。在2.0、2.5计量比条件下电池的性能是第二块电池>第一块电池>第三块电池>第四块电池，但是在3.0计量比条件下电池的性能是第四块电池>第三块电池>第二块电池>第一块电池。

　　空气计量比的增加有利于带走电化学反应产生的水。在空气进口处，电池产生的水很容易被过量空气带走，随着空气向空气出口处流动，其所夹带的水越来越多，就需要更多的过量空气来带走反应产生的水，这样当空气计量比小的时候，空气进口处的电池不易受到影响，容易把进口处通过电化学反应产生的水带走。在空气进口处的电池也就是第二块电池在2.0、2.5计量比时电池性能基本没有变化，在3.0计量比时由于空气流量太大，使质子交换膜变干，所以电池性能出现下降。空气先通过第二块电池，然后就通过第一块电池，空气在这里的含水量会增加，但是该电池是氢气首先流过的电池，所以一部分产生的水会通过反渗透由氢气带走，这样计量比对该电池的影响很小，在三种计量比件下，电池的性能基本相同。反应产生的水主要在第三、四块电池积累，所以计量比对这两块电池的影响最大，随着计量比的增加，积累在第三、四块电池的水会被带走，电池的性能提高。