质子交换膜燃料电池性能影响研究

本文根据电化学热力学和动力学理论分析了质子交换膜燃料电池的理想工作状态和实际工作状态，推导出了气体流量与电流的关系式。为研究电池的性能，设计了燃料电池测试系统，并分析了不同的单元测试系统设计对质子交换膜燃料电池系统的影响。分别以纯石墨双极板和石墨复合材料双极板组装了两台千瓦级的质子交换膜电堆，经测漏测试合格后，根据计算得出的活化条件，对两电堆分别进行了活化和性能对比分析，得出结论：石墨复合材料双极板电阻率略高于纯石墨板，对电堆的性能影响仅体现在输出功率和电压的较小差异，电流为35A时，功率相差34W；而对于电堆的稳定运行和单电池差异则影响很小，总电压标准偏差分别为0.1213V、0.1101V，单片电压总体标准偏差为0.042167V和0.043416V。但是石墨复合双极板的成本远低于后者，从工业化生产来看，石墨复合双极板材料及其加工工艺具有很大的优势。 对石墨复合双极板电堆通过电化学模型和电堆模型分别重点研究了温度、压力和流量对电堆的运行影响，得出结论：(1)采用阴阳极同时增湿，随着电堆工作温度、空气计量系数的增大，电堆性能相应的提高。温度超过70℃后，电堆性能下降，最佳工作温度范围为65℃-70℃；空气计量系数超过3.0后，电堆性能改善不大，适宜的计量系数应控制在2.5-3.0；对于常压燃料电池，氢气压力在略高于常压范围内变化，电堆性能改变很小。(2)从Fluent模拟结果和试验结果来看，该双极板流道布局对单电池间的空气流量分配均匀性影响很小，在高电流运行区，水分布和热分布对电堆性能影响较大。