空冷PEM燃料电池电堆输出功率与水热特性研究

质子交换膜燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置,在运行的过程中约有40%-50%的能量转化为热量,并生成一定量的水。水热平衡对质子交换膜燃料电池的输出性能有重要影响,而其又受很多因素影响,其中重力就是一个很重要的因素。因此,分析重力对电堆内部水热平衡的影响具有重要意义,本文以自制的140W空冷质子交换膜燃料电池堆为研究对象,通过电堆放置方式和重力的不同组合研究重力对电堆性能的影响。氢气流道与重力方向平行时,研究氢气流动方向与重力同向和反向时重力对电堆性能的影响。实验结果表明,氢气流动方向与重力同向时,电堆表面局部高温面积小于氢气流动方向与重力反向时局部高温面积,电堆内部均温性较差,最大温差比氢气流动方向与重力反向时的最大温差高4℃,输出电压也相对较低,而氢气流动方向与重力反向时容易引起紧邻氢气进出口的第一个单元发生水淹,电堆输出电压相对较高,电压最高可提升3.4%。氢气流道与重力方向垂直时,主要研究氢气侧在上和空气侧在上两种放置方式下重力对电堆性能的影响。实验结果表明,氢气侧在上时电堆表面局部高温区域主要在电堆表面右半部分靠近氢气出口处分布,面积小于空气侧在上时分布在电堆底端中间位置的局部高温区域面积;氢气侧在上时电堆输出电压相对低,处于底端的单元容易发生水淹,空气侧在上时电堆输出性能相对较好,电压最高可提升2.4%,但容易造成处于底端的单元氢气浓度分布少,引起电压与其它单电池电压存在较大电压差,最大相差可达0.33V。电堆放置不同角度时,重力会对电堆输出性能产生不同影响。由实验结果可知,电流较小时,0°放置时电堆输出电压最大,电流变大时,存在一个最佳角度45°,电堆45°放置时输出电压与0°放置时的电压差值不断减小,并逐渐成为最大输出电压;在较大电流情况下,不同放置角度对电堆电压周期性波动影响不同,0°放置时电堆电压波动幅度最大。