商業(yè)尺寸質(zhì)子交換膜燃料電池性能實(shí)驗(yàn)研究林林，吳睿，張欣欣（1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能工程系，100083北京，linlinustb.edu.cn）的性能，通過(guò)對(duì)極化曲線的測(cè)量，重點(diǎn)分析了操作溫度與加濕溫度對(duì)不同厚度質(zhì)子膜含水量及電池陰極水泛濫的影響。結(jié)果表明，質(zhì)子膜含水量及陰極液態(tài)水移除主要取決于加濕溫度和操作溫度的最佳匹配。當(dāng)操作溫度低于加濕溫度時(shí)，電池性能隨操作溫度升高而提高；反之，電池性能隨操作溫度升高而下降。在相同電池溫度和加濕溫度下，Core57電池性能優(yōu)于Core5621，因?yàn)檩^薄的Core57更容易保持膜的含水量。低操作溫度下，較薄的Core57電池陽(yáng)極或陰極僅需側(cè)加濕即可維持膜的含水量，因此側(cè)加濕時(shí)的電池性能優(yōu)于兩側(cè)加濕時(shí)的。而對(duì)于較厚的Core5621，無(wú)論操作溫度高低，陰陽(yáng)極兩側(cè)需同時(shí)加濕才能保證膜的含水量；因此，對(duì)于采用較厚質(zhì)子膜的商用燃料電池，操作時(shí)必須保證陰陽(yáng)極同時(shí)加濕。

質(zhì)子交換膜燃料電池具有操作溫度低、啟動(dòng)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50836001）。

張欣欣（1958），男，教授，博士生導(dǎo)師。

迅速、能量密度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別適合定置型發(fā)電系統(tǒng)和傳輸工具的能源供應(yīng)上。水管理是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)之，通常，反應(yīng)氣需加濕以維持質(zhì)子交換膜足夠的濕潤(rùn)性，才能保證氫離子在膜內(nèi)的有效傳輸，但過(guò)高的反應(yīng)氣濕度及陰極反應(yīng)生成液態(tài)水不能有效移除又可能導(dǎo)致陰極水泛濫發(fā)生，產(chǎn)生傳質(zhì)限制4.質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理可通操作條件的優(yōu)化匹配實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外燃料電池公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究，但公開(kāi)發(fā)表的多集中于反應(yīng)面積<25cm2的小尺寸電池，對(duì)于適用于汽車(chē)等動(dòng)力裝置的反應(yīng)面積在200~600cm2的商用質(zhì)子交換膜燃料電池報(bào)道極少510.具有長(zhǎng)流道的商用質(zhì)子交換膜燃料電池在很多方面性能與小尺寸質(zhì)子交換膜燃料電池不同，如：反應(yīng)物的輸運(yùn)、膜中水的分布、液態(tài)水的本文實(shí)驗(yàn)研究了電池操作溫度和反應(yīng)氣加濕溫度對(duì)反應(yīng)面積為256cm2的蛇形流場(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，為探析質(zhì)子交換膜膜厚度對(duì)電池水管理和電池性能的影響，分別采用了2種不同厚度的質(zhì)子交換膜Core5621和Core57加工單電池。該研究有助于進(jìn)一步了解燃料電池尺寸對(duì)電池內(nèi)部傳輸特性和電池性能的影響，也可為大尺寸燃料電池?cái)?shù)學(xué)建模提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹見(jiàn)13.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由氣體供應(yīng)系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、電子負(fù)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和單電池組成。氣體供應(yīng)系統(tǒng)提供氫、氧或空氣作為陽(yáng)極和陰極燃料，同時(shí)提供氮?dú)庥糜谠趯?shí)驗(yàn)前后充入系統(tǒng)管路和單電池以排除其他氣體。流量控制系統(tǒng)用以控制燃料入口流量。溫度控制系統(tǒng)包括1個(gè)加熱棒、T型熱電偶和OmegaCN760000PID溫度控制器，用于控制電池操作溫度。增濕系統(tǒng)通過(guò)控制加濕瓶中水的溫度調(diào)節(jié)燃料的入口加濕溫度。電子負(fù)載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均集成于Ad-vancedScreenerTestStationHydrogenicsFCATSS-2000燃料電池測(cè)試平臺(tái)內(nèi)部，其最大輸出功率2000W，最大輸出電流400A，用于測(cè)量燃料電池極化曲線。在測(cè)試電池極化曲線時(shí)，設(shè)定電池操作電壓恒定，最初電壓設(shè)定為0.975V，每次實(shí)驗(yàn)按照0.05V遞增。實(shí)驗(yàn)中保持陰陽(yáng)極燃料入口化學(xué)計(jì)量比恒定，陽(yáng)極為1.4，陰極為4.0.

1.2電池材料和尺寸測(cè)試燃料電池由本實(shí)驗(yàn)室自組裝。質(zhì)子膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵組件，主要作用是隔離陰陽(yáng)極燃料，防止電子從陽(yáng)極穿過(guò)陰極，同時(shí)使質(zhì)子從陽(yáng)極疏運(yùn)到陰極。質(zhì)子在質(zhì)子膜中的傳輸阻力與質(zhì)子膜的含水量密切相關(guān)，在相同操作條件下，不同厚度的膜中水的傳遞和分布特性差異顯著，因此膜厚度將影響其質(zhì)子傳輸能力。本文分別使用反應(yīng)面積為16cmX16cm的00尺瓦-TEXPRIMRA5621（Core5621）和GORE-TEXPRIMRA57（Core57）質(zhì)子膜制成單電池。Core5621質(zhì)子膜厚度為35pm，陰極催化層催化劑為Pt（0.6mg/cm2），陽(yáng)極催化層催化劑為Pt、Ru合極和陽(yáng)極催化層催化劑載量分別為0.4、0.2爪/唧2.氣體擴(kuò)散層采用00YANGH，ZHAO