質(zhì)子交換膜燃料電池-文庫(kù)吧資料
2025-05-08 04:41本頁(yè)面
【正文】 比 。 電遷移的水量與電池工作電流密度和質(zhì)子的水合數(shù)有關(guān) 。 這樣不但能增加氧陰極氣體擴(kuò)散層內(nèi)氧的傳質(zhì)速度 ， 而且還會(huì)減少電池組廢熱排出的熱負(fù)荷 。但大量液態(tài)水的存在會(huì)導(dǎo)致陰極擴(kuò)散層內(nèi)氧傳質(zhì)速度的降低 。 3電池組的水管理 由于膜的質(zhì)子 （ 離子 ） 導(dǎo)電性與膜的潤(rùn)濕狀態(tài)密切相關(guān) ， 因此保證膜的充分濕潤(rùn)性是電池正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一 。 因此 ， 在設(shè)計(jì)電池組結(jié)構(gòu)時(shí) ， 需根據(jù)具體條件 ， 如反應(yīng)氣純度 、 流程設(shè)計(jì) （ 如有無(wú)尾氣回流 ， 如有 ，回流比是多少等 ） 進(jìn)行化工設(shè)計(jì) ， 各項(xiàng)參數(shù)均要達(dá)到設(shè)計(jì)要求 ， 并經(jīng)單電池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行后方可確定 。 為提高電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率 ， 在電池關(guān)鍵材料與單電池性能已定時(shí) ， 只有提高電池工作電流密度 ， 此時(shí)一般選取單電池工作電壓為~， 再依據(jù)用戶對(duì)電池工作電壓的要求確定單電池?cái)?shù)目 ， 進(jìn)而依據(jù) VA特性曲線確定電極的工作面積 。 在確定工作面積時(shí) ， 還應(yīng)考慮電池系統(tǒng)的內(nèi)耗 。這樣在不考慮燃料利用率時(shí) ， 電池組的效率可達(dá)56%~60%(LHV)。 1） 對(duì)于民用發(fā)電 （ 分散電源或家庭電源 ） ， 能量轉(zhuǎn)化效率更為重要 ， 而對(duì)體積比功率與質(zhì)量比功率的要求次之 。 若兩塊端板用金屬 (如不銹鋼 、 鐵板 、 超硬鋁等 )制作 ，還需在導(dǎo)流板與端板之間加入由工程塑料制備的絕緣板 。 為了實(shí)現(xiàn)電極的立體化 ，需向多孔氣體擴(kuò)散電極內(nèi)部加入質(zhì)子導(dǎo)體 （ 如全氟磺酸樹脂 ） ， 同時(shí)為改善電極與膜的接觸 ， 將已加入全氟磺酸樹脂的陽(yáng)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(yīng) 可兼作電流導(dǎo)出板 ， 為電池組的正極；另一端為陽(yáng)單極板 ， 也可兼作電流導(dǎo)入板 ， 為電池組的負(fù)極 ， 與這兩塊導(dǎo)流板相鄰的是電池組端板 ， 也稱為夾板 。 各種關(guān)鍵材料的性能與壽命最終要通過(guò)單電池實(shí)驗(yàn)的考核 。 溝槽的深度應(yīng)由溝槽總長(zhǎng)度和允許的反應(yīng)氣流經(jīng)流場(chǎng)的總壓降決定 ， 一般應(yīng)控制在 。 對(duì)蛇形與平行溝槽流場(chǎng)溝槽的寬度與脊的寬度之比控制在 1： ()之間 。 開孔率降得過(guò)低 ， 將導(dǎo)致脊部分反應(yīng)氣擴(kuò)散進(jìn)入路徑過(guò)長(zhǎng) ， 增加了傳質(zhì)阻力 ， 導(dǎo)致濃差極化的增大 。 上述各種流場(chǎng)的脊部分靠電池組裝力與電極擴(kuò)散層緊密接觸 ， 而溝部分為反應(yīng)氣流的通道 ， 一般溝槽部分面積與脊部分面積之比為流場(chǎng)的 開孔率 。 它的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)迫反應(yīng)氣流經(jīng)電極的擴(kuò)散層強(qiáng)化擴(kuò)散層的傳質(zhì)能力 ， 同時(shí)將擴(kuò)散層內(nèi)水及時(shí)排出 。 對(duì)蛇形流場(chǎng)可用改變溝與脊的寬度比 、 通道的多少和蛇形溝槽總長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整反應(yīng)氣在流場(chǎng)中流動(dòng)線速度 ， 確保將液態(tài)水排出電池 。 流場(chǎng)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的 ， 而且很多是高度保密的專有技術(shù) 。 （ 四 ） 流場(chǎng)：作用是引導(dǎo)反應(yīng)氣流動(dòng)方向 ， 確保反應(yīng)氣均勻分配到電極各處 ， 經(jīng)擴(kuò)散層到達(dá)催化層參與電化學(xué)反應(yīng) 。 由于這層多孔石墨流場(chǎng)板在電池工作時(shí)充滿水 ， 既有利于膜的保濕 ，也阻止反應(yīng)氣與作為分隔板的薄金屬板（ ~)接觸 ， 因而減緩了它的腐蝕 。 抗腐蝕的方法之一是用改變合金組成與制備工藝的方法 。 這是目前世界各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)之一 。 但改進(jìn)聯(lián)合樹脂材料 、 與石墨粉配比及模鑄條件 ， 可以減小模鑄板的這兩種電阻 。該技術(shù)尚在發(fā)展之中 。 采用蛇形流場(chǎng)的石墨雙極板圖 雙板板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 2. 模鑄雙極板 : 為降低成本和批量生產(chǎn) ， 在 DOE資助下 ， Los Alamos等發(fā)展了采用模鑄法制備帶流場(chǎng)的雙極板 。 : 厚度為 2~5mm, 機(jī)加工共用通道 , 利用電腦刻繪機(jī)在其表面上加工流場(chǎng)。 ?為降低電池組的成本 ， 制備雙極板的材料必須易于加工 (如加工流場(chǎng) )， 最優(yōu)的材料是適于用批量生產(chǎn)工藝加工的材料 。 ④ 構(gòu)成雙極板的材料必須在陽(yáng)極運(yùn)行條件下 (一定的電極電位 、 氧化劑 、 還原劑等 )抗腐蝕 ， 以達(dá)到電池組的壽命要求 ， 一般為幾千小時(shí)至幾萬(wàn)小時(shí) 。 ② 將燃料 (如氫 )和氧化劑 (如氧 )通過(guò)由雙極板 、 密封件等構(gòu)成的共用孔道 ， 經(jīng)各個(gè)單池的進(jìn)氣管導(dǎo)入各個(gè)單池 ， 并由流場(chǎng)均勻分配到電極各處 。 由圖可知 ， 雙極板必須滿足下述功能要求 。 實(shí)驗(yàn)表明 ， 當(dāng)相對(duì)濕度小于 35%時(shí) ， 膜電導(dǎo)顯著下降 ， 而在相對(duì)濕度小于 15%時(shí) ， Nafion膜幾乎成為絕緣體 。 因此 ， 開發(fā)性能優(yōu)良的交換膜是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一 。 質(zhì)子交換膜應(yīng)滿足的要求： 1） 高的 H+離子傳導(dǎo)能力； 2） 在 FC運(yùn)行條件下 ， 膜結(jié)構(gòu)與樹脂組成保持不 變 ， 即具有良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性； 3） 具有低的反應(yīng)氣體滲透性 ， 保證 FC具有高的法 拉第效率； 4） 具有一定的機(jī)械強(qiáng)度 。 5） 擴(kuò)散層材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)能在 PEMFC工作條件下保持 擴(kuò)散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布是可以達(dá)到的 ， 但是 PEMFC擴(kuò)散層要同時(shí)滿足反應(yīng)氣與
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