质子交换膜燃料电池电流密度分布的研究

【摘要】：目前大功率燃料电池研究中存在的主要问题是电池在放大过程中性能出现大幅度衰减。研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)电流密度分布,进而分析电池操作条件及关键部件对电流密度分布的影响,指明改进电流密度分布的方向,对促进PEMFC 技术的发展和产业化具有重要意义。 本论文提出了一种改进子电池方法用以测定PEMFC 内电流密度分布。考察了操作条件对电流密度分布的影响。提出了一种网状流场新流型,流体沿着氧化剂入口到出口几何对角线方向电极性能最佳,该方向气体流速最大。对于平行沟槽流场,实验结果表明与流场氧化剂进气口一侧相对应的电极局部性能优于中间部分,但要比出气口一侧相对应的电极局部性能要差。 首次将测定电流密度分布作为一种实验工具,实现对流场结构、扩散层结构和催化层结构的研究。结果表明:在相同实验条件下,采用网状流场的PEMFC性能明显优于平行沟槽流场,在实验过程中没有出现明显的浓差极化;通过测定电池内电流密度分布表明采用Acetylene black 代替Vulcan XC-72 制备扩散层有利于缓解电极“水淹”程度;降低扩散层内PTFE 担量,提高了在欧姆极化区放电时的电极性能。但在电极“水淹”情况下,必须适当提高扩散层内PTFE担量;在活化极化和欧姆极化区,亲水电极的性能明显优于憎水电极。但在“水淹”情况下,亲水电极性能比憎水电极性能要差;首次提出了一种分段式的复合电极结构,即与氧化剂入口侧和流场中央区域相对应的电极制备成亲水催化层,与气体出口侧对应的催化层制备成憎水型,电极极限电流密度获得了提高。