質子交換膜燃料電池(編輯修改稿)
2025-05-29 04:41 本頁面
【文章內容簡介】 不但電極與膜之間的接觸不好 ,而且質子導體也無法進入多孔氣體電極的內部 。 為了實現電極的立體化 ，需向多孔氣體擴散電極內部加入質子導體 （ 如全氟磺酸樹脂 ） ， 同時為改善電極與膜的接觸 ， 將已加入全氟磺酸樹脂的陽極 ， 隔膜 （ 全氟磺酸膜 ） 和已加入全氟磺酸樹脂的陰極壓合在一起 ， 形成了 “ 三合一 ” 組件 （ MEA） ： 電池組的主體為 MEA， 雙極板及相應 可兼作電流導出板 ， 為電池組的正極；另一端為陽單極板 ， 也可兼作電流導入板 ， 為電池組的負極 ， 與這兩塊導流板相鄰的是電池組端板 ， 也稱為夾板 。 在它上面除布有反應氣與冷卻液進出通道外 ， 周圍還布置有一定數目的圓孔 ， 在組裝電池時 ， 圓孔內穿入螺桿 ， 給電池組施加一定的組裝力 。 若兩塊端板用金屬 (如不銹鋼 、 鐵板 、 超硬鋁等 )制作 ，還需在導流板與端板之間加入由工程塑料制備的絕緣板 。 電池組結構示意圖 電池組設計原則： 效率和比功率分別是電池組在標定功率下運行時的能量轉化效率和在標定功率下運行時的質量比功率和體積比功率 。 1） 對于民用發(fā)電 （ 分散電源或家庭電源 ） ， 能量轉化效率更為重要 ， 而對體積比功率與質量比功率的要求次之 。 故依據用戶對電池組工作電壓的要求確定串聯的單電池數目時 ， 一般選取單電池電壓為 ~。這樣在不考慮燃料利用率時 ， 電池組的效率可達56%~60%(LHV)。 再依據單電池的實驗 VA特性曲線 ，確定電池組工作電流密度 ， 進而依據用戶對電池組標定功率的要求確定電極的工作面積 。 在確定工作面積時 ， 還應考慮電池系統(tǒng)的內耗 。 2） 對于電動車發(fā)動機用的 PEMFC和各種移動動力源 ， 則對電池組的質量比功率和體積比功率的要求更高些 。 為提高電池組的質量比功率和體積比功率 ， 在電池關鍵材料與單電池性能已定時 ， 只有提高電池工作電流密度 ， 此時一般選取單電池工作電壓為~， 再依據用戶對電池工作電壓的要求確定單電池數目 ， 進而依據 VA特性曲線確定電極的工作面積 。 流場結夠對 PEMFC電池組至關重要 ， 而且與反應氣純度 、 電池系統(tǒng)的流程密切相關 。 因此 ， 在設計電池組結構時 ， 需根據具體條件 ， 如反應氣純度 、 流程設計 （ 如有無尾氣回流 ， 如有 ，回流比是多少等 ） 進行化工設計 ， 各項參數均要達到設計要求 ， 并經單電池實驗驗證可行后方可確定 。 電池組密封 ： 要求是按照設計的密封結構 ， 在電池組組裝力的作用下 ， 達到反應氣 、 冷卻液不外漏 ， 燃料 、 氧化劑和冷卻液不互竄 。 3電池組的水管理 由于膜的質子 （ 離子 ） 導電性與膜的潤濕狀態(tài)密切相關 ， 因此保證膜的充分濕潤性是電池正常運行的關鍵因素之一 。 PEMFC的工作溫度低于 100℃ ， 電池內生成的水是以液態(tài)形式存在 ， 一般是采用適宜的流場 ，確保反應氣在流場內流動線速度達到一定值 （ 如幾米每秒以上 ） ， 依靠反應氣吹掃出電池反應生成的水 。但大量液態(tài)水的存在會導致陰極擴散層內氧傳質速度的降低 。 因此 ， 如何保證適宜的操作條件 ， 使生成水的 90%以上以氣態(tài)水形式排出 。 這樣不但能增加氧陰極氣體擴散層內氧的傳質速度 ， 而且還會減少電池組廢熱排出的熱負荷 。 質子交換膜內的水傳遞過程有三種傳遞方式： 1） 電遷移：水分子與 H+一起 ， 由膜的陽極側向陰極側遷移 。 電遷移的水量與電池工作電流密度和質子的水合數有關 。 2） 濃差反擴散：因為 PEMFC為酸性燃料電池 ， 水在陰極生成 ， 因此 ， 膜陰極側水濃度高于陽極側 ，在水濃差的作用下 ， 水由膜的陰極側向陽極側反擴散 。 反擴散遷移的水量與水的濃度梯度和水在質子交換膜內的擴散系數成正比 。 3） 壓力遷移：在 PEMFC的運行過程中 ， 一般使氧化劑壓力高于還原劑的壓力 ， 在反應氣壓力梯度作用下 ， 水由膜的陰極側向陽極側傳遞 ，即壓力遷移 。 壓力遷移的水量與壓力梯度和水在膜中的滲透系數成正比 ， 而與水在膜中的粘度成反比 。 水在質子交換膜內的遷移過程可用 NernstPlank方程表示 ： mpmwmwmdmw pkCCDFinN ??????,式中 ， nd, Dm , kp, ?, Cw,m, i, F, Pm分別是水的電遷移系數 ， 水在膜中的擴散系數 ， 水在膜中的滲透系數 ，水在膜中的粘度 ， 膜中水的濃度 ， 電流密度 ， 法拉第常數 ， 和膜兩側的壓力 。 由上式可知： 1） 陰極側的壓力高于陽極側的壓力 ， 有利于水從膜的陰極向陽極側的傳遞 。 但壓力差受電池結構的限制和空壓機功耗的制約 。 2） 膜越薄越有利于水由膜的陰極側向陽極側的反擴散 ， 有利于用電池反應生成的水潤濕膜的陽極 。 3） 當電池在低電流下工作時 ， 由于膜內的遷移質子少 ， 隨質子電遷移的水也少 ， 有利于膜內水濃度的均勻分布 。 電池組排水 PEMFC工作溫度低于 1000C， 電化學反應生成的水為
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