堿性陰離子交換膜燃料電池實驗及數值模擬

李 蒙，隋邦傑

(武漢理工大學 汽車工程學院 燃料電池湖北省重點實驗室，武漢 430070)

近年來，基于全氟磺酸質子交換膜(proton exchange membrane, PEM)的低溫燃料電池取得了巨大的進展[1-2]，燃料電池汽車等基于質子交換膜燃料電池(PEMFC)的產品已經實現了小規模的商業化。質子交換膜燃料電池具有啟動速度快、效率高、功率密度大等優點[3]，然而，它的大規模商業化受限于材料成本、系統集成和燃料需求等幾個因素[4]。與PEMFC 相比，堿性陰離子交換膜燃料電池(anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)因其堿性工作環境可以使用非貴金屬催化劑以及具有較高的電化學動力學特性[5]，在近年來受到了國內外的廣泛關注[6-7]。目前，AEMFC面臨著功率密度、水熱管理、耐久性、催化劑選擇和膜電極(membrane electrode assembly, MEA)制造等方面的挑戰[8-14]。與PEMFC類似，AEMFC的性能取決于MEA中水的分布，因為大多數傳輸特性(如離子電導率、氣體擴散率等)對水的存在非常敏感[15]。對于AEMFC，水在陽極生成，陰極消耗，并在膜中傳輸，如果陽極生成的水沒有及時排出，會稀釋KOH電解液以及造成水淹現象，導致性能下降；如果陰極水含量較多，也會稀釋KOH電解液，過少會減緩陰極的反應。與PEMFC水管理豐富的研究成果不同，AEMFC水管理的相關研究文獻較少，其中Li等[16]通過離線測量的方法測試總結出Tokuyama A201型堿性陰離子交換膜的傳輸特性；Deng等[17]通過實驗表明高催化劑、適當入口氣體濕度可以提升電池性能；在Duan等[18]的實驗研究中，對A201膜在不同溫度下的導電率進行了測量，并給出了膜中水含量與氣態水活性、膜的電導率與膜中水含量的函數關系，實驗為研究提供了參考數據，但不能直觀地觀察電池內部水傳輸狀態。……