碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

李 蒙，隋邦傑

(武汉理工大学 汽车工程学院 燃料电池湖北省重点实验室，武汉 430070)

近年来，基于全氟磺酸质子交换膜(proton exchange membrane, PEM)的低温燃料电池取得了巨大的进展[1-2]，燃料电池汽车等基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的产品已经实现了小规模的商业化。质子交换膜燃料电池具有启动速度快、效率高、功率密度大等优点[3]，然而，它的大规模商业化受限于材料成本、系统集成和燃料需求等几个因素[4]。与PEMFC 相比，碱性阴离子交换膜燃料电池(anion exchange membrane fuel cell, AEMFC)因其碱性工作环境可以使用非贵金属催化剂以及具有较高的电化学动力学特性[5]，在近年来受到了国内外的广泛关注[6-7]。目前，AEMFC面临着功率密度、水热管理、耐久性、催化剂选择和膜电极(membrane electrode assembly, MEA)制造等方面的挑战[8-14]。与PEMFC类似，AEMFC的性能取决于MEA中水的分布，因为大多数传输特性(如离子电导率、气体扩散率等)对水的存在非常敏感[15]。对于AEMFC，水在阳极生成，阴极消耗，并在膜中传输，如果阳极生成的水没有及时排出，会稀释KOH电解液以及造成水淹现象，导致性能下降；如果阴极水含量较多，也会稀释KOH电解液，过少会减缓阴极的反应。与PEMFC水管理丰富的研究成果不同，AEMFC水管理的相关研究文献较少，其中Li等[16]通过离线测量的方法测试总结出Tokuyama A201型碱性阴离子交换膜的传输特性；Deng等[17]通过实验表明高催化剂、适当入口气体湿度可以提升电池性能；在Duan等[18]的实验研究中，对A201膜在不同温度下的导电率进行了测量，并给出了膜中水含量与气态水活性、膜的电导率与膜中水含量的函数关系，实验为研究提供了参考数据，但不能直观地观察电池内部水传输状态。……