迫使吸气式的质子交换膜燃料电池堆

文摘

吸气式的燃料电池有一个巨大的潜力为各种电子设备电源。他们与传统的燃料电池的电池吸收氧气从空气通过主动或被动的方法。气流通过的渠道发生由于浓度和温度梯度之间的细胞和环境条件。然而发展中一个堆栈是非常困难的单个细胞的性能可能不是统一的。为了让这样的一个系统更加真实,一个open-cathode迫使吸气式的堆栈是通过适当的气流通道尺寸统一在一个堆栈的表现。CFCT-ARCI(燃料电池Technology-ARC国际中心)我们已经开发出强迫吸气式的燃料电池堆栈不同容量从50瓦到1500瓦。栈的性能分析是基于空气流,湿度、稳定、等等,系统的主要优点是双板的数量减少,从而减少体积和重量。然而,热管理是一个挑战由于不能获得足够的气流把热量从系统在连续操作。本文将讨论这些结果。

1。介绍

聚合物电解质膜燃料电池(pemfc)是一个不错的选择在电子消费品电池作为电源,传感器,和医疗设备。对于一个成功的燃料电池集成到电器、燃料电池的尺寸必须按照现有设备的几何。此外,质子交换膜燃料电池的另一个主要问题存在于辅助组件的小型化,必须按比例缩小的堆栈。外部子系统,如风机、加湿装置,和热交换器,增加的复杂性保持平衡的植物燃料电池系统和小型时通常有低效率和功率密度。吸气式的PEM燃料电池最近的燃料电池研究人员和开发人员之间的利益尤其是便携式应用。简单设计的堆栈和周边单位和先进的操作概念的吸气式的PEM燃料电池的发展产生巨大影响的替代电源移动电子产品的有效的湿度控制和大幅减少寄生损失。质子交换膜燃料电池在自由对流模式运行显著降低子系统所需的数量。质子交换膜燃料电池的直接控制气流很难获得,从而使温度和湿度控制的一个重要问题。此外,吸气式的燃料电池持续实现性能低于细胞操作下强制对流模式。许多研究已经进行了燃料电池运行在自由对流模式,结论是,在这种操作模式下,问题限制表现是由于大规模运输和水管理(1,2]。

紧凑的PEM燃料电池系统是广泛研究了许多研究人员为了阐明瞬态透气性PEM燃料电池的特点和评价其性能。吸气式的燃料电池的性能评估在不同环境条件下,楚和江3]。江和楚4)采用pseudo-bipolar盘子的6细胞栈,发现细胞性能明显受环境湿度的影响。目前各种气体扩散的影响媒体和收藏家对PEM燃料电池的性能调查Hottinen et al。5),他们观察到稀薄的气体扩散媒体少质量传输电阻导致非常高的电流密度。Noponen et al。6]介绍了直接原位测量系统地图当前分布在一个自由呼吸PEM燃料电池系统和显示实验和计算结果。

施密茨et al。7]研究了平面吸气式的细胞,研究了阴极孔径和润湿特性的影响扩散层性能。Schimitz et al。8)应用印刷电路技术开发一种新型的平面燃料电池阴极组成的一个开放,然后演示了一个长期操作超过1500 h。为一个80 W栈参数研究不同相对湿度和风扇流量被孙等报道。9]。

理解水管理的阴极洪水和干涸的吸气PEM燃料电池研究byPaquin和弗莱切特10]。Mennola et al。11)确定极限问题是系统无法消除细胞的水温度低于40°C。Modroukas et al。12,13]研究了利用被动控制系统基于亲水材料,提高水去除细胞,从而增加了细胞的性能。O 'Hayre et al。14)研究温度从10到80°C和证明了加湿性能的依赖的细胞。在温度高于70°C,膜干涸被发现限制的现象。早晨和克莱因(15和宋等。16]还得出结论,膜湿度是一个最重要的因素在决定燃料电池性能在自由对流模式和吸气式的燃料电池的性能强烈依赖于水资源管理。我们公司和Arcoumanis17]研究了水滴的形成和聚集在阴极流渠道各种操作条件下通过直接可视化。聚合通道被强烈影响水滴的空气和氢气化学计量的变化情况。

了解性能和质子交换膜燃料电池堆的特点显然是重要的实现最优成本、重量和性能比率。本研究的目的是构建一个质子交换膜燃料电池的发展和应用程序栈之间的桥梁为促进其实际应用在不同的市场。很难实现良好的性能对吸气式的质子交换膜燃料电池通过使用典型的质子交换膜燃料电池的设计规则和强制对流空气通道。相反,一个人必须重新设计每个组件的燃料电池考虑造成的特殊问题阴极侧送风的方式。在阴极通道设计的情况下,信道配置通常是复杂的和狭窄的典型的强制对流空气供给质子交换膜燃料电池以达到实际压降赶出多余的水和分发气体通道一致的每一个细胞,每一个部分。蛇形流场经常用于强制对流质子交换膜燃料电池。压降是最重要的参数扩展通道配置在典型的质子交换膜燃料电池。然而,在吸气式的质子交换膜燃料电池与垂直空气通道,通道配置可以相对简单和广泛引起更多的氧气进入通道,加强质量和传热。传质速率是至关重要的参数设计的空气通道。优化通道配置和提高性能,有必要构建小吸气式的质子交换膜燃料电池在扩展。 By taking into account the above said challenges in air-breathing fuel cells, herein, we report air-breathing PEMFC stacks, which are built with a series of bicell units, having a feature of light weight and high power. The fuel is fed into the stack from compressed hydrogen cylinders and the oxidant and the coolant are fed by a single blower by active methods. The heat dissipation of the stack is realized efficiently and automatically because of larg e contact area designed between the stack surface and environmental air. These results are discussed here.

2。实验

实验装置的示意图如图1。吸气式的质子交换膜燃料电池堆栈使用bicells构建由4细胞,12岁和52个细胞,在一系列连接。每个电极的几何面积大约是330平方厘米空气供应阴极是自发提供的风机也是用来冷却堆栈。流场设计用于强制空气呼吸如图2。通道宽度和肋宽度为3毫米,1.5毫米的深度。99.99%的高纯氢作为燃料,压缩气缸。一个aalborg质量流量控制器被用于测量氢流量。抗直流负载箱用于驱散当前和用万用表测量电压。全氟磺酸的量由1135膜和专有的气体扩散层与Pt / C CFCT催化剂层(18]。K型热电偶被保存在堆栈和进气的空气和中心监控温度。图3显示了不同的照片迫使吸气式的堆栈。实验数据收集和记录横河MX100数据采集/开关装置。

3所示。结果与讨论

所有操作和控制的影响参数对堆栈操作研究的动态实验测试和数据分析得到一个基本见解迫使吸气式的PEM燃料电池系统。众所周知,质子交换膜燃料电池的性能是一个函数的温度、湿度、和压力。然而,增加操作温度导致困难的热管理和膜变干的问题。系统操作压力增加会导致并发症。

在传统自由呼吸的新型阴极渠道环境空气从两端是开放的。自由呼吸是指的自然对流细胞反应所需的氧气传输到细胞。自然对流的空气阴极频道是由浮力驱动的,这是由温度和气体成分梯度引起的。温度梯度是由细胞反应产生的热损失和可能的外部加热的细胞。气体成分的变化是由阴极反应,消耗氧气,产生水。

清新的质子交换膜燃料电池堆栈旨在使用强制空气中的氧气,这是更简单和更低的成本比其他类型的栈。水的反应产物在阴极电极自动精疲力竭的环境。缺点是任何因素,它们存在于周围的环境,可能会影响栈的性能。第一个考虑的因素是氢气湿度。最初4细胞堆栈是建立和测试与氢在不同加湿温度和性能如图4。输出功率被发现不同40到55瓦加湿温度的基础上50到70°C。性能随着温度的增加是由于增加了电极过程的反应速率和膜电解质离子电导率的增加。

堆栈的方向也进行了测试,允许产品水流失在垂直取向或允许产品在水平方向上self-humidification用水。发现水平方向提供了更好的性能比垂直方向如图5。相同的堆栈是连续操作,发现最初堆栈性能增加到48从150年的38瓦瓦最小值和稳定在44瓦近6个小时,恒功率如图6。最初的上升,下降,和稳定的电力可能归因于由于高温动力学性能增加,干燥,和self-humidification分别。整个堆栈测量温度分布在不同的地点,附近的H₂进口,出口,中间的堆栈,发现出口H₂温度几乎是统一而进口和中间如图7透露,氢加湿和电池出口附近的温度达到平衡。此外,迫使空气供给堆栈提供了两个不同的单位,也就是说,乐器冷却风扇,另一个高流量鼓风机。风扇转速不仅决定了空气流速堆栈,但是同时也阻止了堆栈过热,高烟囱温度将导致退化的膜电极组件(量)。的辅助动力要求这两个单位被发现是3瓦和12瓦特,分别。

从图8,一个可以看到栈的性能也取决于类型的变化迫使空气供给。气流,因此也供氧和水去除,在频道之间的温度差成正比细胞和周围的空气。这气流转移的一部分生成的热量从细胞到环境。其余的热辐射、对流转移细胞的表面。辐射传热正比于绝对细胞温度的四次方的区别和绝对的环境温度。因此,在更高的环境温度需要较小的温差来提供相同的辐射传热率。根据不同的传热机制的比率,可能出现重大偏差之间的温差细胞在不同的环境条件和环境导致nonsimilar气流率。

强制喂送风质子交换膜燃料电池堆栈是为直接利用从周围的空气。这将导致一个更简单、更轻、成本竞争系统比传统的堆栈设计。产品水在阴极自动吹到环境。缺点是在环境空气可能存在的任何杂质毒药和降低栈的性能。此外,空气湿度也可能对栈的性能产生重大影响。空气湿度会改变天气状况和不同的下雨和晴天。环境湿度和温度变量和选择根据实际天气情况。李等人。19]研究了强迫吸气式的栈的性能,并与空气的帮助下呼吸和得出结论,迫使空气燃料电池,可以提高燃料电池的性能。电极的氧浓度可以低由于三种不同原因喜欢传播媒体,由于低渗透,有效面积的不同部分由于燃料电池反应,和nonoptimal流条件和产品水的状态,尤其是在液体状态,可以减少气体扩散层的孔隙度和覆盖部分催化剂表面导致空间异构氧浓度。

12-cell迫使空气呼吸栈是由一个H₂板,一个空气板,11双极板原理图所示9。同样的52个细胞堆栈提供力量1.5千瓦容量使用52和53个板块组成的细胞构造双板和空气和H₂单极板。吸气式的的性能聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)堆栈是评估不同环境条件下。周围空气的湿度显著影响性能的堆栈。当湿度低于10% RH 35°C,堆栈中损失了近95%的力量。这是观察到堆栈的可接受的操作温度将从20到40°C 50% RH。

迫使吸气式的堆500瓦的性能容量和1500瓦容量数据所示10和11分别对电压和电流。从极化曲线如图10,你会发现从11.5伏特的电压下降到6.5伏特当我们画电流密度高达225毫安/平方厘米。交付的电力从堆栈被发现450瓦。在低电流密度的电化学过程主要是由电极的电荷转移反应或激活。在大电流密度的电化学过程主要是由电阻和/或传质控制极化。然而,在1500年瓦特堆栈如图11电流密度只有150毫安/平方厘米0.58 V。电流密度的下降从500瓦到1500瓦栈主要是由于热量和水管理的不平衡。进一步的工作正在进行中,以解决上述问题。

4所示。结论

在本文,我们研究了三种不同能力的吸气式的栈和湿度的影响,温度、空气流量、性能报告。周围空气中的湿度显著影响性能的吸气式的质子交换膜燃料电池堆栈。使质子交换膜燃料电池堆栈的操作温度从50到70°C。更高的空气流量和湿度,堆栈被发现更高和更稳定的性能。强制进料的概念供氧量质子交换膜燃料电池堆栈没有寄生能力已经开发和验证。环境湿度、温度和空气流量发现高效操作的主要决定因素的吸气式的质子交换膜燃料电池堆栈。

确认

作者要感谢博士g . Sundararajan主任ARCI来说,他不断的支持和鼓励。作者也承认金融支持DST,印度政府,新德里。

引用

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