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燃料电池运行参数


直接甲醇燃料电池运行参数的研究: 文献[1]确定了在 55℃下的最佳工艺参数为:甲醇浓度 1.5 mol/L,甲醇流量为 1.5mL /min,氧气压力在 0.3MPa,氧气流量在 800 mL/min。 文献[2,3]研究的最佳工艺参数为:电池温度 80℃,甲醇浓度 1mol/L,甲醇流量为 40mL /min,氧气压力在 0.1 MPa,氧气流量在 1000 mL/min。

甲醇浓度对电池性能的影响:通入的甲醇浓度提升了甲醇在电池内传质的动力, 减小甲醇浓差极化, 但高浓度甲醇会导致甲醇因扩散而更多地传递到阴极,降低 电池性能。 甲醇流量对电池性能的影响: 大流量甲醇溶液的电池电压大于小流量甲醇溶液的 电池电压,性能得到提升。但甲醇流量过大,甲醇渗透现象突出,性能下降。 阴极氧气流量对电池性能的影响:提高氧气流量能增强氧气向催化剂层的传递, 加速流道内水的排出[4],避免浓差极化,但过大会吹干阴极,反应阻力增大。 电池温度的影响:电池的性能随工作温度升高而提升, 原因是提高电池温度能增 强催化剂的催化活性[5],强化反应物在电池内部的传递[6],提高质子交换膜的传 导率等[7],但随着温度升高 Nation 膜甲醇的渗透速率也增加[8],甲醇透过后在阴 极毒化 Pt 催化剂,降低了催化剂的活性。 阴极氧气压力对电池性能的影响: 压力越大阴极传质阻力越小, 同时减小了甲醇 窜流到阴极的机率。当压力升至一定值以后,性能提升很少,催化剂基本饱和, 此时阳极的传质极化限制了电池性能的提高。

质子交换膜燃料电池运行参数的研究: 文献[9]确定质子交换膜燃料电池的最佳运行温度为 80℃,H2 压力 0. 3 MPa,O2 为 0. 3 MPa。 文献[10]确定的电池运行参数为:温度 72℃、H2 和 O2 压力都为 0.2 MPa。 其中文献[11]还提到在高压燃料电池中氢气侧压力应略高于空气侧的要求, 在实际 应用中可以固定该压差值为 10~20kPa。

温度的影响:一般情况下提高温度有利于改善电池的性能。这是因为提高温度可 以使 Pt 的催化活性提高,电化学反应将加快,同时使质子交换膜内水的扩散系数 增加, 阴极氧气活化反应生成水向阳极扩散速度加快,从而使质子交换膜内水分 布均匀,电极淹没问题不会出现,同时质子传递速度也加快,膜电阻将减小。氢 气和氧气的扩散系数加大, 改善气体传质。 然而在低电流密度下不宜采用高温运 行[12],这是因为在高温运行时,水的蒸发速率较快,同时由于低电流密度下生 成的水量较少,从而导致膜没有达到完全润湿,致使电池活化面积减少,所以性 能较差。 气体压力的影响:提高氢气和氧气的压力有利于增大电池可逆电势, 提高交换电 流密度,降低活化过电位,加快气体的传质速度,有利于电极反应进行。所以随 运行压力的提高,燃料电池性能提高。 参考文献: [1] 刘桂成, 王同涛, 马傲冬, 等. 直接甲醇燃料电池运行参数的研究[J]. 华南师 范大学学报, 2009, (A01), 29-31. [2] 汪茂海 郭航 马重芳. 运行参数对直接甲醇燃料电池动态响应的影响Ⅰ.甲 醇溶液浓度和流量[J]. 电源技术, 2005, 29(5): 260-273. [3] 汪茂海 郭航 马重芳. 运行参数对直接甲醇燃料电池动态响应的影响Ⅱ.电 池温度,氧气压力和流量[J]. 电源技术, 2005, 29(6): 406-409. [4] WANG M H, GUO H, MA C F, et a1. Experimental study on the performance of a direct methanol fuel cell with microchannel flowbed[A]. Proc 3 rd International Symposium on Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation[C]. Guangzhou: South ChinaUniversity of Technology Press. 2004, 1494-l499. [5] KAI IR ANEN P S,SKOU E,MUNK J.Kinetics of methanol oxidation on carbon-supported Pt and Pt+Ru catalysts[J]_Journal of Electroanalytical Chemistry, 1996, 404(1): l-l3. [6] DOHLE H , DIVISEK J , MERGEL J , et a1 . Recent developments of the measurement of the methanol perm eation in a direct methan ol fuel cell[J].Journal ofPower Source,2002,lO5(2):274—282.

[7] MENN0LA T,MIKK0LA M,NOPONEN M.et a1.Measurement of ohmic voltage losses in individual cells of a PEMFC stack[J]. Journal of Power Sources.2002.112(1):26l 一 272. [8] KAURANEN P S,SKOU E.Methanol permeability in perfluorosul—fonate proton exchange membranes at elevated temperatures[J].J Appl Electrochem,1996, 26:909-917. [9] 丛文博 , 金丽华 , 刘志祥 . 质子交换膜燃料电池的初步研究 [J]. 电源技术 , 2001, 25(1): 13-15. [10] 王文东, 陈实, 吴锋. 温度、压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响 [J]. 能源研究与信息, 2003, 19(1): 39-46. [11] 倪淮生 , 许思传 , 常国峰 . 高压质子交换膜燃料电池运行参数优选研究 [J]. 汽车工程, 2009, 31(7): 597-600. [12] Wang L , Husar A . Zhou T H . A parametric study of PEM fuel cell performances. International Journal of Hydrogen Energy, 2003, 28(11): 1 263-I 272.


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