作用力对PEM燃料电池阴极水管理危害
引言：文中尝试了作用力对阴极水在PEM燃料电池内排出来产生的影响。通过调节阴阳极的摆放，选用更改电子器件负荷测量电压和电流量的办法，对应的是不同类型的加湿环境下，阴极在上和阳极在上，运用工作电压/电流强度/环境温度绘制极化曲线。对应的是阴阳极左右的摆放的差异，电池电压、阳极汽体加湿温度与阴极汽体加湿温度是40℃～70℃中间同歩转变，得到四组测试数据结论。实验结果表明，在PEM燃料电池电级放置阳极在上时，作用力有益于PEM燃料电池阴极液体的排出；在PEM燃料电池电级放置阴极在上时，作用力不益于PEM燃料电池阴极液体的排出。
关键字：离子交换膜；燃料电池；作用力；水管理
危害PEM（离子交换膜）燃料电池性能的因素有很多，比如环境温度，工作压力，燃料和氧化物的气体压力等外在因素，也是有传热热传导等内部因素。其中一个较关键影响因素便是内部结构水管理方法。水管理的好与坏将影响其性能的好与坏，并且水PEM燃料电池内部结构是一把双刃剑，膜内不可以少水，气体扩散层内又无法被雨水阻塞，还要考虑到过多水份的排出等。
许多人对PEM燃料电池内部结构水管理方法进行分析，大部分要以模型方式仿真模拟其传播过程。Hua Meng[1]建立了一个三维模型模拟MEA（膜电极组件）里面的水持续传播过程。B. Carnes等[2]运用一维和部队二维模型对PEM燃料电池内部结构反质子跟水展开了深入分析。Wei-Mon Yan等[3]用一维实体模型根据藕合温度场和传热详细分析了PEM燃料电池膜里的水热管理系统状况。
Trung Van Nguyen等[4]从气体传递和遍布层面阐述了PEM燃料电池堆内部结构水管理方法。N.Rajalaks hmi等[5]所作的试验就是给充电电池进入干燥气体精确测量造成水量自我改变过流道样子，剖析水传送状况。J. J. Baschuk等[6]，用数学模型仿真了充电电池水浸水平对性能产生的影响。已有的二维和三维数学分析模型，对PEM燃料电池的性能、内部结构水传递和遍布展开了模拟分析。几乎都没对作用力加以考虑，不过是在模型中指出，并没有采用实证方法认证作用力对水的危害。
本文将是对于PEM燃料电池阴阳极不同类型的加湿前提下，试验作用力对PEM燃料电池阴极液体传达的危害，进而影响PEM燃料电池的性能，制定了一些实验方法，选用更改阴极和阳极左右的摆放，突显作用力对PEM燃料电池电流强度产生的影响。
1 逻辑分析
在数学分析模型的建设环节中，大部分人们总是用质量守恒定律、动量守恒和能量守恒定律三大守恒方程式。己经创建的数学分析模型中，大部分都用到了这三个方程式。但是，在使用动量方程的过程当中，许多人忽视作用力项的危害[7-17]。
在PEM燃料电池动量方程中，要搞清楚的液体通常是然料汽体，氧化物汽体跟水等，他们归属于粘性流体，不可压缩流体，简单化后其动量方程的矢量素材方式为
式（1）便是动量守恒方程式，通称动量方程，又称为纳维－斯托克斯方程。从方程式中可以看到有作用力项 ，对于我们来说作用力项 在这样一个方程式中的重要性是不能忽视的。因此制定了有关作用力对PEM燃料电池性能危害实验。
2 试验系统软件
在实验操作中用的都是2.24cm×2.23cm总面积单充电电池，膜电极组件是通过Nafion115膜和铂病载为0.4mg/cm2的电极材料构成，扩散层使用的是炭纸，MEA外围是2个硅酸铝板，用两个镀金的铜钱夹持。硅酸铝板上有三排环形的过流道。
在实验中常用的检测仪由美国光电催化企业制造的MTS150检测仪，它能够测控技术电池环境温度，显示流量和背压式。在这套测试系统中，反映汽体是通过外部气体加湿器进行加湿。调整汽体加湿温度从而控制气体环境湿度。加湿温度是由加湿器里的温控表操纵。背压式是通过放空阀操纵，电池加热是由组装在单充电电池两边的2个发热片，电池电压是由精确测量接近充电电池核心的电极板环境温度，充电电池外置直流电子负载，通过调节直流电子负载精确测量不同类型的电压与电流测试数据，依据测试数据进而绘制极化曲线，进一步分析性能。测试系统如下图1所显示。PEM燃料电池的结构尺寸在表1中列举。
图1 PEMFC测试系统平面图
表1 PEM燃料电池的结构尺寸
3 实验结论与讨论
对锂电池内部水的分布有所影响的重要因素：（1）电转移功效。反质子再从阳极向阴极传送的过程中会从离子交换膜的阳极侧以水合氢离子的方式带去一部分水，因而影响了离子交换膜内水的分布；（2）反自由扩散。因为阴极水摩尔浓度高过阳极，水就会从离子交换膜的阴极侧面离子交换膜的阳极侧蔓延，这种对水的用途刚好是电转移功效反过来，一般情况是电转移对水的用途超过反扩散的实际效果；（3）在阴极形成水。电化学腐蚀还会在阴极不断产生水，水流量和电流量正相关；（4）反映汽体水分含量。燃料和氧化物汽体都要经过加湿解决气体，含有水蒸汽，也会带给充电电池一部分水。
在大量的相关文献中，所提到的离子交换膜燃料电池单个阴阳极位置放置大多数都是两方面板平行面垂直摆放，而且大多数人检测的重点在于观查环境温度、工作压力、加湿温湿度外部环境对离子交换膜燃料电池性能产生的影响。大家为了测试作用力对锂电池内部阴极液体排出来产生的影响，从而得出作用力对系统性能产生的影响。制作出如下所示实验方法，阴阳极左右相对性放置，如下图2所显示阴极在上，或如下图3所显示阳极在上。运用阴极和阳极相对性的摆放的变化，观查作用力对离子交换膜燃料电池性能产生的影响[18]。
图2 阳极在上
图3 阴极在上
图4 0.85V下电流强度图
对应的是阴极在上和阳极在上的的摆放，进行了多组试验，实验环境是加湿温度与电池电压同歩转变，其他要求和实验结论如下图4-图9所显示。
图5 阳极在上阴极加湿排水管道平面图
图6 阴极在上阴极加湿排水管道平面图
图4，图7与图8是不同电压，不一样电池电压下，电流强度的比较。图4要在E=0.85V时不一样环境下性能的比较。0.85V较为接近填充因子，受到的电极化影响力是光电催化电极化。由图4看，温度40℃和50℃的情形下，充电电池性能的优劣交叠遍布；在60℃和70℃前提下，看起来没有规律性,但还是有据可依的，阴极不加湿（阳极加湿）的电流强度会比阳极不加湿（阴极加湿）的电流强度好些。造成这种情况的原因是因为阳极汽体不加湿造成阳极侧水份少，严重影响电阻器率，因此严重影响电流强度，并且由于是连续的检测，有大量的水分随着温度的升高带到锂电池内部，导致阴极侧水分过多，综合性导致以上结论。
图7 0.65V下电流强度图
图7要在E=0.65V时不一样环境下性能的比较。一般这一电压值电池工作标准电压。由图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，这是因为锂电池内部的水净化设备情况不一样。通常情况下，锂电池内部水综合性传送方位是以阳极侧面阴极侧传送。在阳极不加湿的情形下，阴极侧因为电池反映造成的水和阴极汽体带到锂电池内部水分综合性，导致阴极侧水份显著产能过剩，并且没有及时排出到充电电池外界，导致液体的堆积，进而阻塞多孔结构气体扩散层，危害氧化物的传递，最终导致充电电池性能的降低；但在阴极不加湿，阳极加湿的情形下，这类水对传热产生的影响显著要低，因为阳极侧有加湿汽体，不易造成阳极侧脱干，而阴极侧因为没有加湿汽体，水份的主要来源是充电电池从阳极传送来和电池反应形成水，这些水大部分伴随着阴极汽体立即的排出到充电电池外界。由图7中还可以看得出随着温度的升高，电池性能明显下降，主要是试验是连续进行的，导致锂电池内部水份随着温度的升高而堆积，因此严重影响后边的性能。由图7中还可以看得出阳极在上的电流强度明显要比阴极在上的电流密度好些。阳极在上，阴极在下后，排水管道过流道底部是平滑的石墨制品，如下图5所显示，液体与过流道间的阻力小，伴随着阴极剩下汽体流动性，排出来到充电电池外；阴极在上，阳极在下后，因为主要是阴极排水管道，因此在阴极侧产生的排水过流道中，底部是气体扩散层，如下图6图示，还有很多微孔板，增强了液体伴随着汽体流动性的阻力，而且很容易在气体扩散层上形成一层收缩水，阻拦汽体传热。进而影响它性能。
图8和图7区别在于E=0.45V。如果不看座标，只看图形，图7和图8比较相似，标注的结论也是相同的。能够念在电池电流强度为中高级区的时候，水对系统性能的影响效果是一样的，因此才会出现相近的图型。
图8 0.45V下电流强度图
图9是电池在不一样情况下的最大功率较为。从图中可以看出，只会在40℃和70℃阳极不加湿的情形下，阴极在上的性能会比阳极在上的性能好一点，实际效果也不是特别显著。特别是70℃阳极不加湿的情形下，最大功率特别小。但在40℃下阳极不加湿功率非常高，主要原因是刚开始接触试验，锂电池内部阴极水份还不是很多，并且由于温度比较低，水饱和蒸气压也很低，带到阴极水分特别少，使阴极水分输出和输入达到非常好的均衡，并没有堵塞阴极气体扩散层，进而没影响阴极气体传热，因此充电电池表现出了非常好的性能。至大功率相对较高的点就是40℃，50℃和60℃阴极不加湿（阳极加湿）条件下。在这种条件下，阴极不加湿克服了阴极水份过剩的难题，阳极加湿克服了阳极脱水的难题，因此性能非常的不错，但在70℃时，水饱和蒸气压非常高，带到锂电池内部水分产能过剩，导致阳极的吞没，从而影响了它性能，发生如下图9所示实际效果。纵览地图全图最大功率数据信息，阳极在上的性能会比阴极在上的性能要好一些。
图9 至大功率较为
4 结果
（1）同等条件下，阳极在上摆放时，同样工作电压下，PEM燃料电池电流强度会比阴极在上摆放时大。
（2）在别的实验环境不变的前提下，同样工作电压下，阳极加湿（阴极不加湿）时PEM燃料电池电流强度比阴极加湿（阳极不加湿）电流强度大。
（3）阳极在上（阴极再下）的情形下，阴极内过剩的液体比阴极在上（阳极再下）的时候容易排出来到PEM燃料电池外界。
（4）在PEM燃料电池应用中，应注意PEM燃料电池阴阳极的上下的摆放。
（5）在创建PEM燃料电池数学分析模型情况下，作用力不能被忽视。
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