重力对PEM燃料电池阴极水管理影响
摘要：本文测试了重力对阴极水从PEM燃料电池内排出的影响。通过改变阴阳极摆放位置，采用改变电子负载测定输出电压和电流的方法，对应着不同的加湿条件下，阴极在上和阳极在上，利用电压/电流密度/温度画出极化曲线。对应着阴阳极上下摆放位置的不同，电池温度、阳极气体加湿温度和阴极气体加湿温度在40℃～70℃之间同步变化，得出四组实验数据结果。实验结果表明，在PEM燃料电池电极摆放阳极在上时，重力有利于PEM燃料电池阴极液态水的排出；在PEM燃料电池电极摆放阴极在上时，重力不利于PEM燃料电池阴极液态水的排出。
关键词：质子交换膜；燃料电池；重力；水管理
影响PEM（质子交换膜）燃料电池性能的因素很多，例如温度，压力，燃料和氧化剂的气体流量等外部因素，也有传质传热等内部因素。其中一个较主要的影响因素就是内部的水管理。水管理的好坏将直接影响其性能的好坏，而且水在PEM燃料电池内部是一把双刃剑，膜内不能缺水，气体扩散层内又不能被水堵塞，还要考虑过量水分的排出等。
很多人对PEM燃料电池内部的水管理进行研究，大多数是以模型的形式模拟其传递过程。Hua Meng[1]建立了一个三维模型来模拟MEA（膜电极组件）内水连续传递过程。B. Carnes等人[2]利用一维和二维模型对PEM燃料电池内部质子和水进行了分析。Wei-Mon Yan等人[3]用一维模型通过耦合温度梯度和传质详细分析了PEM燃料电池膜内的水热管理情况。
Trung Van Nguyen等人[4]从气体的传递和分布方面分析了PEM燃料电池堆内部的水管理。N.Rajalaks hmi等人[5]所做的实验是给电池通入干燥气体测量产生的水量和改变流道形状，分析水的传输情况。J. J. Baschuk等人[6]，用数学模型模拟了电池水淹程度对性能的影响。现有的二维和三维数学模型，对PEM燃料电池的性能、内部水的传递和分布进行了模拟分析。基本都没对重力加以考虑，有的只是在模型中提到，并没有采用实验的方法验证重力对水的影响。
本文主要是对PEM燃料电池阴阳极不同的加湿情况下，实验重力对PEM燃料电池阴极液态水传递的影响，从而影响PEM燃料电池的性能，设计了一些实验方案，采用改变阴极和阳极上下摆放位置，突出重力对PEM燃料电池电流密度的影响。
1 理论分析
在数学模型的建立过程中，大多数人总是用质量守恒、动量守恒和能量守恒三大守恒方程。现在已经建立的数学模型中，大多数都用到了这三个方程。可是，在用到动量方程的过程中，很多人都忽略重力项的影响[7-17]。
在PEM燃料电池动量方程中，要分析的流体主要是燃料气体，氧化剂气体和水等，它们属于牛顿流体，不可压缩流体，简化后其动量方程的矢量形式为
式（1）就是动量守恒方程，简称动量方程，也称为纳维－斯托克斯方程。从方程中可以看出有重力项 ，我们认为重力项 在这个方程中的作用是不能忽略的。所以设计了关于重力对PEM燃料电池性能影响的实验。
2 实验系统
在实验中用的是2.24cm×2.23cm面积的单电池，膜电极组件是由Nafion115膜和铂载量为0.4mg/cm2的电极组成，扩散层采用的是炭纸，MEA外面是两个石墨板，用两个镀金的铜板夹紧。石墨板上是三排蛇形的流道。
在实验中使用的测试仪是由美国电化学公司生产的MTS150测试仪，它可以测控电池的温度，显示流量和背压。在这套测试系统中，反应气体是通过外部的气体加湿器进行加湿。调节气体加湿的温度从而控制气体的湿度。加湿的温度是通过加湿器上的温度控制表控制。背压是由背压阀控制，电池加热是通过安装在单电池两侧的两个加热片，电池温度是通过测量靠近电池中心的电极板温度，电池外接电子负载，通过改变电子负载测量不同的电压和电流实验数据，根据实验数据从而画出极化曲线，分析其性能。测试系统如图1所示。PEM燃料电池的几何尺寸在表1中列出。
图1 PEMFC测试系统示意图
表1 PEM燃料电池的几何尺寸
3 实验结果与讨论
对电池内部水的分布有影响的主要因素：（1）电迁移作用。质子在从阳极向阴极传递的过程中会从质子交换膜的阳极侧以水合氢离子的形式带走一部分水，因此改变了质子交换膜内水的分布；（2）反扩散作用。由于阴极水摩尔浓度高于阳极，水就会从质子交换膜的阴极侧向质子交换膜的阳极侧扩散，这种对水的作用正好是和电迁移作用相反，一般情况是电迁移对水的作用大于反扩散的效果；（3）在阴极生成的水。电化学反应也会在阴极不断产生水，水量和电流成正比；（4）反应气体含水量。燃料和氧化剂气体都是经过加湿处理的气体，带有水蒸气，这也会带给电池一部分水。
在大量的相关文献中，提到的质子交换膜燃料电池单体阴阳极的位置摆放大多都是两极板平行竖直放置，而且大多数人测试的重点是观察温度、压力、加湿温度等外部条件对质子交换膜燃料电池性能的影响。我们为了测试重力对电池内部阴极液态水排出的影响，从而得出重力对电池性能的影响。设计出如下实验方案，阴阳极上下相对摆放，如图2所示阴极在上，或如图3所示阳极在上。利用阴极和阳极相对摆放位置的改变，观察重力对质子交换膜燃料电池性能的影响[18]。
图2 阳极在上
图3 阴极在上
图4 0.85V下电流密度图
对应着阴极在上和阳极在上的摆放位置，做了几组实验，实验条件是加湿温度和电池温度同步变化，其他条件和实验结果如图4-图9所示。
图5 阳极在上阴极加湿排水示意图
图6 阴极在上阴极加湿排水示意图
图4，图7和图8是不同输出电压，不同电池温度下，电流密度的对比。图4是在E=0.85V时不同条件下性能的对比。0.85V比较接近于开路电压，受的极化影响是电化学极化。从图4看，在温度40℃和50℃的情况下，电池性能的优劣交错分布；在60℃和70℃情况下，看似无规律,但是还是有章可循的，阴极不加湿（阳极加湿）的电流密度要比阳极不加湿（阴极加湿）的电流密度要好。造成这种情况的原因是阳极气体不加湿引起阳极侧水分少，影响了电阻率，因而影响了电流密度，同时由于是连续的测试，有大量的水分随着温度的升高带入电池内部，造成阴极侧水分过多，综合造成上述结果。
图7 0.65V下电流密度图
图7是在E=0.65V时不同条件下性能的对比。一般这个电压是电池的工作电压。从图7中看出，阳极不加湿(阴极加湿)的性能明显没有阴极不加湿(阳极加湿)性能好，这主要是因为电池内部的水平衡情况不同。正常情况下，电池内部的水综合传递方向是从阳极侧向阴极侧传递。在阳极不加湿的情况下，阴极侧由于电池的反应产生的水和阴极气体带入电池内部的水分综合，造成阴极侧水分明显过剩，而且没有及时排出到电池外部，造成液态水的积聚，从而堵塞多孔气体扩散层，影响氧化剂的传递，最终造成电池性能的下降；而在阴极不加湿，阳极加湿的情况下，这种水对传质的影响明显要小，由于阳极侧有加湿气体，不容易造成阳极侧的脱水，而阴极侧由于没有加湿气体，水分的主要来源是电池从阳极传递过来和电池反应生成的水，这些水基本上随着阴极气体及时的排出到电池外部。从图7中还能看出随着温度的升高，电池的性能有所下降，这主要是实验是连续进行的，造成电池内部水分随着温度的升高而积聚，所以影响了后面的性能。从图7中还可看出阳极在上的电流密度明显要比阴极在上的电流密度要好。阳极在上，阴极在下时，排水流道的底部是光滑的石墨材料，如图5所示，液态水与流道之间的阻力小，随着阴极剩余气体流动，排出到电池外；阴极在上，阳极在下时，由于主要还是阴极排水，所以在阴极侧形成的排水流道中，底部是气体扩散层，如图6所示，有很多的微孔，增加了液态水随着气体流动的阻力，而且很容易在气体扩散层上形成一层水膜，阻碍气体传质。从而影响它的性能。
图8与图7的区别在于E=0.45V。如果不看坐标，只看图形，图7与图8比较相似，显示的结果也是相同的。可以看在电池的电流密度为中高区时，水对电池性能的影响效果是一样的，所以才会产生相似的图形。
图8 0.45V下电流密度图
图9是电池在不同条件下的最大输出功率比较。从图中可以看出，只有在40℃和70℃阳极不加湿的情况下，阴极在上的性能要比阳极在上的性能好一点，效果也不是太明显。尤其是70℃阳极不加湿的情况下，最大输出功率非常小。而在40℃下阳极不加湿的功率比较高，原因是刚开始做实验，电池内部阴极水分还不是很多，同时由于温度比较低，水的饱和蒸汽压也比较低，带入阴极的水分比较少，使阴极水分的输入与输出达到了很好的平衡，没有阻塞阴极气体扩散层，从而没有影响阴极的气体传质，所以电池表现出很好的性能。最大功率比较高的点是40℃，50℃和60℃阴极不加湿（阳极加湿）的条件下。在这种条件下，阴极不加湿解决了阴极水分过剩的问题，阳极加湿解决了阳极脱水的问题，所以性能比较不错，但是在70℃时，水的饱和蒸汽压非常的高，带入电池内部的水分过剩，造成阳极的淹没，从而影响了它的性能，出现如图9所示的效果。纵观全图最大输出功率数据，阳极在上的性能要比阴极在上的性能要好一些。
图9 最大功率比较
4 结论
（1）在同等条件下，阳极在上放置时，相同电压下，PEM燃料电池电流密度要比阴极在上放置时大。
（2）在其他实验条件不变的情况下，相同电压下，阳极加湿（阴极不加湿）时PEM燃料电池电流密度比阴极加湿（阳极不加湿）电流密度大。
（3）阳极在上（阴极在下）的情况下，阴极内过剩的液态水比阴极在上（阳极在下）时容易排出到PEM燃料电池外部。
（4）在PEM燃料电池应用时，应考虑PEM燃料电池阴阳极的上下摆放位置。
（5）在建立PEM燃料电池数学模型时候，重力不应该被忽略。
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