風(fēng)冷PEM燃料電池堆研究.pdf

1、燃料電池的高效率和它對環(huán)境的友好性使得其在便攜電源上有很大的應(yīng)用前景。對于便攜式電源，傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)顯得十分臃腫。為了簡化傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)，風(fēng)冷電堆成了一個可行的方法。風(fēng)冷燃料電池電堆簡化了電堆中的冷卻系統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)或氣泵等系統(tǒng)，加濕系統(tǒng)。這使得燃料電池在便攜式電源的應(yīng)用上更加方便。系統(tǒng)的簡化使得風(fēng)冷電堆和傳統(tǒng)電堆的操作條件有較大差異，因此對風(fēng)冷電堆的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律進(jìn)行探討，以優(yōu)化電堆的流場和MEA結(jié)構(gòu)，在簡化系統(tǒng)的同時又保持電

2、堆高性能輸出是非常必要的。本文主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下。
　　 (1)分析了風(fēng)冷電堆工作狀態(tài)，探討了其中的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律，建立了簡化的熱、質(zhì)傳輸平衡模型。
　　 (2)通過模型進(jìn)行模擬計算，認(rèn)為在風(fēng)冷電堆通常運行的溫度范圍30-70℃內(nèi)，電堆的散熱以空氣強(qiáng)制對流為主，輻射散熱量和自然對流散熱量遠(yuǎn)小于強(qiáng)制對流散熱量。這點和有的文獻(xiàn)描述相差較大。同時，當(dāng)電池運行溫度一定時，在電池結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和接觸電阻允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增加開孔率，提

3、高流道的長寬比，可以提高風(fēng)冷電堆的散熱效率。電堆開孔率在60％-70％之間，流道截面積形狀a/b在1.4-1.8之間電池的散熱效率最佳。另外，GDL的保水能力與GDL的厚度和孔隙率有關(guān)。GDL越厚，孔隙率越低，其保水能力也越強(qiáng)。在保證氧氣傳輸?shù)那疤嵯?，?00mA/cm2@0.6V工作時，GDL厚度應(yīng)該是0.7mm，孔隙率為60％。
　　 (3)對不同流場及結(jié)構(gòu)及不同MEA特性的電池進(jìn)行了實驗研究。認(rèn)為電池的性能隨著GDL厚度的

4、增加而增加，增加到最大值0.6mm時隨著GDL的厚度增加而減小。對GDL的疏水處理不僅可以在常規(guī)電池中有利于電池的排水，還可以提高未加濕風(fēng)冷電堆的性能；GDL疏水程度為40％時，電池的性能發(fā)揮至最大值。在同時處于低濕度狀態(tài)下，WUT復(fù)合膜的電池性能比Nafion膜電池的性能要好。
　　 (4)對風(fēng)冷電堆的操作條件進(jìn)行了優(yōu)化研究。實驗得出，實驗風(fēng)冷電堆的最佳運行溫度為65攝氏度；實驗風(fēng)冷電堆的性能隨著風(fēng)量的增加而增加，當(dāng)增加到2.