集流板自增湿燃料电池技术研究

质子交换膜燃料电池目前普遍使用全氟磺酸膜,膜的水含量直接影响质子在膜中的传导和膜的机械强度,并进一步影响电池性能,因此保持膜的适度湿润性非常重要。通常采用各种增湿方法来对反应气进行增湿,但这会增加系统的复杂性以及体积和重量,为了简化系统,提高系统的体积比功率和质量比功率,近年来,出现了很多从电池材料和结构入手进行优化设计的自增湿方法,但效果都不是很理想,也还没有完全实用化。本文从实现燃料电池自增湿,简化燃料电池水管理系统的角度出发,从电池的关键材料—集流板的材料、结构和流场设计入手,以多孔碳板代替传统的密实石墨板作为集流板材料,利用多孔碳板中孔隙的渗透性,在电池阴极入口用冷却水对反应气进行增湿,出口对水进行回收,从而去除了燃料电池的增湿系统,将燃料电池系统的水热管理合二为一。通过研究,得出的主要结论如下： (1)多孔碳板的渗水率,主要受温度和压力梯度的影响,随温度和压力梯度的增大而线性增大。 (2)通过集流板的流场和结构设计以及电池操作条件的优化,成功实现了燃料电池的自增湿。单电池在氢气过量系数为1.5,空气过量系数为3.0,入口水压P为0.10MPa,电流密度为600mA/cm2时,电压可以达到0.6-0.65V左右,且可以长时间稳定运行。 (3)通过集流板的流场和结构设计和电池操作条件的优化,成功实现了燃料电池的水平衡,即从电池阴极出口区域回收至冷却水管路的水量可以补充电池阴极入口区域冷却水渗透增湿空气而损失的水量。当入口水压P为0.10MPa左右,空气出口背压为25KPa时,可以实现电池自增湿性能和水回收的最优化。