H<,2>PEMFC内MEA表面温度分布及DMFC动态性能研究
燃料电池是一种能通过电化学反应持续将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。由于具有效率高和环境友好的优点，燃料电池日益受到世界各国政府和企业的重视。
氢质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池分别以氢和甲醇作为燃料，都是采用固体聚合物作为电解质。因具有工作温度低、启动快、效率高、零或低排放等优点，氢质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池被认为在交通动力源、便携式电源、微型电源等各种应用领域具有广阔前景，是目前燃料电池研究中的主流。
氢质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池技术涉及到多学科，除电化学、膜科学和催化化学外，电池内的热流体问题也非常重要。对电池内部热流体问题的研究有助于深入地了解电池内部工作的本质和解决工程中实际存在的问题。就电池的热流体问题而言，数值方面的研究已经远远超前了实验研究。燃料电池内的温度分布与电池的寿命及可靠性密切相关，但相关研究尤其是实验研究非常缺乏。
本文的一部分工作就是利用红外热成像技术实验测量了不同流场下氢质子交换膜燃料电池启动阶段膜电极组件表面的温度分布，了解电池内部温度分布规律，为氢质子交换膜燃料电池优化设计及安全运行提供参考，并为电池内部热流体问题的理论模拟提供基础数据，该部分的主要工作及成果如下：
1.设计了具有不同流道形式的，能用于测量膜电极组件表面温度分布的氢质子交换膜燃料电池。通过该电池和红外热像仪测量得到了膜电极组件表面温度分布，并能保证测试时电池具有较高的电性能。
2.本文综合电池性能测试系统和红外测试系统，搭建了可以用来测量膜电极组件表面温度分布的测试系统。对实验系统进行了调试并对实验误差进行了修正。
3.在本文实验工况下，实验测量得到了平行流场、交错流场和蛇形流场下电池启动阶段所有槽道下膜电极组件表面温度分布。平行流场中，膜电极组件表面最高温度出现在中间槽道中部。交错流场中，膜电极组件表面最高温度出现在两侧槽道的下部，最低温度出现在中间槽道的进口。蛇形流场中，膜电极组件表面的最高温度出现在流场的下游，进口处温度最低。文献中仅仅得到了平行流场中部分槽道对应的膜电极组件表面温度分布。
4.对加载电流后不同流场下膜电极组件表面温度分布随加载时间的动态变化进行了实验研究。在本文的实验时间范围内，膜电极组件表面温度及电池温度都随着加载时间的延长而增加，膜电极组件表面温度与电池温度之间的差在经历开始阶段的急剧上升后趋于稳定。
5.对不同流场下电池启动阶段加载电流大小对电池启动阶段膜电极组件表面温度分布的影响开展了研究。研究表明，膜电极组件表面温度，膜电极组件表面最大温差以及膜电极组件平均温度与电池温度之间的差都随着加载电流的增加而升高。
6.在不同流场下，系统研究了加载一定电流后预热温度，反应物流量等对膜电极组件表面温度分布的影响。
7.膜电极组件表面温度分布的不均匀以及膜电极组件表面与阴极极板之间较大的温度差说明在质子交换膜燃料电池中采用等温假设与实际相差较大，也说明现在常用的通过测量极板处温度来监控膜电极组件运行温度并不能保证膜电极组件处于安全的工作温度之内。
目前有关直接甲醇燃料电池的研究绝大部分集中在稳态性能研究上，动态性能的研究还很少见。然而实际应用中，直接甲醇燃料电池的负载及外界环境是变化的。本文的另一部分工作对直接甲醇燃料电池动态性能开展了理论和实验研究。该部分主要工作和成果如下：
1.建立了瞬间加载电流时直接甲醇燃料电池一维全电池理论模型，并采用数值方法求解了该模型。该模型考虑了阴、阳两极的电化学过程，还考虑了反应物在阴、阳极扩散层及质子交换膜中的传质、浓度分布和甲醇窜流的动态变化，以及阴、阳两极的双电层电容效应对响应电势的影响。理论计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型进行研究发现，瞬间加载电流时，造成电池电势突降然后迅速回升的原因是电池两极的双电层电容充电电流。催化剂层反应物浓度达到稳定的时间随着加载电流的增大而延长，但不受反应物进口浓度的影响。此类研究还未见文献报道。
2.对加载电流按照不同规律变化时液态进料直接甲醇燃料电池动态响应进行了实验研究及分析。实验结果显示，液态进料直接甲醇燃料电池对各种电流变化的动态响应都很迅速。动态运行时电池的开路电压要高于稳态运行时的值。瞬间加载电流会使得电压降到一个低值，然后很快回升。瞬间卸载时的开路电压也会先跳到一个高值，然后缓慢下降。电流按定斜率逐渐提高加载电流时，电压在经过开始阶段近乎直线的下降后，下降斜率会忽然减小，随着加载电流斜率的减小，电压下降斜率变化的转折点对应的电压值增大，电流值会减小，相对加载时间会变长。此类研究国内还未见文献报道。
3.对运行参数(温度、甲醇溶液浓度、甲醇溶液流量、氧气流量和压力)对电池动态性能的影响开展了实验研究。实验结果显示，提高运行参数的值能使得电池响应更快更稳定。电池电压响应值随着温度，氧气流量和压力的提高而升高。电池电压响应值随着甲醇溶液浓度和流量的升高而降低。按一定斜率增加加载电流时，不同的反应参数体现在响应电压上的差别明显小于定电流加载时的差别。温度和氧气流量的影响还未见文献报道。
氢质子交换膜燃料电池;直接甲醇燃料电池;膜电极;温度分布;动态性能
北京工业大学
博士
热能工程
马重芳
2005
中文
TM911
145
2006-12-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）