1、 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering燃料电池燃料电池王志成王志成质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic EngineeringnPEMFC工作原理与结构工作原理与结构nPEMFC的发展简史的发展简史nPEMFC的特点与用途的特点与用途nPEMFC的主要部件的主要部件nPEMFC单电池与电池组单电池与电池组nPEMFC电池组失效分析电池组失效分析 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physi
2、cs&Electronic Engineering 质子交换膜型燃料电池质子交换膜型燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)以全氟磺酸型固体以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂聚合物为电解质，铂/炭或铂炭或铂-钌钌/炭为电催化剂，炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。双极板。1.PEMFC工作原理与结构工作原理与结构1.1 工作原理工作原理 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College
3、 of Physics&Electronic Engineering工工作作原原理理示示意意图图 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电料电池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反应极反应:该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极发生反应生成
4、水。生成的水不稀释电解质，而是通过发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过电极随反应尾气排出。电极随反应尾气排出。eHH222OHeHO222221OHOH22221总的反应总的反应：阳极反应：阳极反应：阴极反应阴极反应：物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering1.2 PEMFC结构组成图结构组成图由图可知，由图可知，构成构成PEMFC的关键材料与部件为电催的关键材料与部件为电催化剂、电极化剂、电极(阴极与阳极阴极与阳极)、质子交换膜和双极板。、质子交换膜和双极板。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 Col
5、lege of Physics&Electronic Engineering 20世纪世纪60年代，美国首先将年代，美国首先将PEMFC用于双子星用于双子星座航天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜，座航天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致在电池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短，且还污染了电池的生成水，使宇航电池寿命的缩短，且还污染了电池的生成水，使宇航员无法饮用。员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜，延长了电池寿命，解决了电池生成水被污染磺酸膜，延长了
6、电池寿命，解决了电池生成水被污染的问题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实的问题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标，让验。但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC)，造成，造成PEMFC的研究长时间内处于低谷。的研究长时间内处于低谷。2.PEMFC的发展简史的发展简史 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行进行P
7、EMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的研究。在加拿大、美国等国科学家的共同努力下，的共同努力下，PEMFC取得了突破性进展。取得了突破性进展。采用薄的采用薄的(50-150 m)高电导率的高电导率的Nafion和和Dow全氟磺酸膜，使电池性能提高数倍。全氟磺酸膜，使电池性能提高数倍。接着又采用铂炭催化剂代替纯铂黑，在电极催接着又采用铂炭催化剂代替纯铂黑，在电极催化层中加入全氟磺酸树脂，实现了电极的立体化。化层中加入全氟磺酸树脂，实现了电极的立体化。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 阴极、阳极与膜热压到一
8、起，组成电极阴极、阳极与膜热压到一起，组成电极-膜膜-电极电极“三合一三合一”组件组件(membrane-electrode-assembly，MEA)。这种工艺减少了膜与电池的接触电阻，。这种工艺减少了膜与电池的接触电阻，并在电极内建立起质子通道，扩展了电极反应的并在电极内建立起质子通道，扩展了电极反应的三相界面，增加了铂的利用率。不但大幅度提高三相界面，增加了铂的利用率。不但大幅度提高了电池性能，而且使电极的铂担量降至低于了电池性能，而且使电极的铂担量降至低于0.5mg/cm2，电池输出功率密度高达，电池输出功率密度高达0.5-2w/cm2，电池组的质量比功率和体积比功率分别达到电池组的质
9、量比功率和体积比功率分别达到700w/kg和和1000w/L。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering除了具有除了具有FC的一般优点外，的一般优点外，PEMFC还具有：还具有：1）室温下快速启动）室温下快速启动 2）无电解质液流失）无电解质液流失 3）比功率和比能量高）比功率和比能量高 4）寿命长。）寿命长。3.PEMFC的特点与用途的特点与用途3.1 特点特点 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering1）分散电站；）分散电站；2）移动
10、电源，是电动车、移动通讯和）移动电源，是电动车、移动通讯和潜艇等的理想电源；潜艇等的理想电源；3）也是最佳的家庭动力源。）也是最佳的家庭动力源。3.2 用途用途 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少的电极均为气体扩散电极。它至少有两层构成：起支撑作用的扩散层和为电化学反有两层构成：起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行的催化层。应进行的催化层。催化层催化层扩散层扩散层电极结构示意图电极结构示意图4.PEMFC的主要部件的主要部件4.1 电极电极 物理与电子工程学院物理与电
11、子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering功能：功能：1）起支撑作用，为此要求扩散层适于担载催化）起支撑作用，为此要求扩散层适于担载催化层，扩散层与催化层的接触电阻要小；催化层主层，扩散层与催化层的接触电阻要小；催化层主要成分是要成分是Pt/C电催化电催化剂，故扩散层一般选炭材制剂，故扩散层一般选炭材制备；备；2）反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化）反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应，因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔学反应，因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布，有利于传质。分布，有利于传质。4.1.1 扩散层扩散层 物理与电
12、子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering3）阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电流，）阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电流，阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子，即扩阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子，即扩散层应是电的良导体。因为散层应是电的良导体。因为FEMFC工作电流密度工作电流密度高达高达1A/cm2，扩散层的电阻应在，扩散层的电阻应在m.cm2的数量级。的数量级。4）PEMFC效率一般在效率一般在50左右，极化主要在氧阴左右，极化主要在氧阴极，因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良极，因此扩散层尤其是
13、氧电极的扩散层应是热的良导体。导体。5）扩散层材料与结构应能在）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保工作条件下保持持。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是可以达到的，但是布是可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时扩散层要同时满足反应气与产物水的传递，并具有高的极限满足反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流，则是扩散层制备过程中最难的技术问题。电流，则是扩散层制备过程中最难的技术问题。carbon papercarbon cl
14、oth 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering4.1.2 催化剂的制备与表征催化剂的制备与表征担载性催化剂担载性催化剂催化剂：高分散的纳米级催化剂：高分散的纳米级Pt颗粒颗粒担体：导电、抗腐蚀的乙炔炭黑担体：导电、抗腐蚀的乙炔炭黑 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic EngineeringPt/C电催化剂电催化剂胶体铂溶胶法胶体铂溶胶法离子交换法离子交换法H2PtCl6直接还原法直接还原法真空溅射法真空溅射法Pt-M/C电催化剂电催化剂共沉淀法共沉淀法
15、以以Pt/C催化剂和过渡金属盐水催化剂和过渡金属盐水溶液为原料制备（还原）溶液为原料制备（还原）真空溅射法真空溅射法Pt-M-HxWO3/C电催化剂电催化剂1)制备制备复合担体复合担体 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering2)表征表征相表征相表征 XRD 粒径分布粒径分布 粒度分布仪粒度分布仪粒度粒度 TEM、由循环伏安曲线氢吸附峰面积求得、由循环伏安曲线氢吸附峰面积求得比表面积比表面积 由电化学活性表面积求得由电化学活性表面积求得 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&E
16、lectronic Engineering 它是它是PEMFC的最关键部件之一，直接影响电池的最关键部件之一，直接影响电池的性能与寿命。质子交换膜应满足的要求：的性能与寿命。质子交换膜应满足的要求：1）高的）高的H+离子传导能力；离子传导能力；2）在）在FC运行条件下，膜结构与树脂组成保持不运行条件下，膜结构与树脂组成保持不 变，即具有良好的化学和电化学稳定性；变，即具有良好的化学和电化学稳定性；3）具有低的反应气体渗透性，保证）具有低的反应气体渗透性，保证FC具有高的法具有高的法 拉第效率；拉第效率；4）具有一定的机械强度。）具有一定的机械强度。4.2 质子交换膜质子交换膜 物理与电子工程学
17、院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering种类种类化学结构化学结构摩尔质量摩尔质量EW（g/mol)Nafion膜x=610，y=z=11100Dow膜x=310，y=1，z=0800850EW值，值，Equivalent weight，表示，表示1mol磺酸基团的树脂磺酸基团的树脂质量，质量，EW值越小，树脂的电导越大，但膜的强度越低。值越小，树脂的电导越大，但膜的强度越低。膜的酸度通常以树脂的膜的酸度通常以树脂的EW值表示，也可用交换容量值表示，也可用交换容量（IEC，每克树脂中含磺酸基团的物质的量）表示，每克树脂中含磺酸基团的
18、物质的量）表示，EW和和IEC互为倒数。互为倒数。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering目前使用的主要是目前使用的主要是Du Pont杜邦公司的全氟磺酸杜邦公司的全氟磺酸型 质 子 交 换 膜，即型 质 子 交 换 膜，即 N a f i o n 膜，售 价 高 达膜，售 价 高 达$500800/m2。因此，开发性能优良的交换膜是当前研究的热点因此，开发性能优良的交换膜是当前研究的热点之一。之一。全氟磺酸型质子交换膜传导质子必须要有水存在全氟磺酸型质子交换膜传导质子必须要有水存在才行，其传导率与膜的含水率呈线性
19、关系。才行，其传导率与膜的含水率呈线性关系。实验表明，当相对湿度小于实验表明，当相对湿度小于35%时，膜电导显著时，膜电导显著下降，而在相对湿度小于下降，而在相对湿度小于15%时，时，Nafion膜几乎膜几乎成为绝缘体。成为绝缘体。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic EngineeringPEMFC电池组一般按压滤机方式组装。由图可知，双电池组一般按压滤机方式组装。由图可知，双极板必须满足下述功能要求。极板必须满足下述功能要求。实现单池之间的电的联结，因此，它必须由导电良实现单池之间的电的联结，因此，它必须由导电良好的材料构成。好的
20、材料构成。将燃料将燃料(如氢如氢)和氧化剂和氧化剂(如氧如氧)通过由双极板、密封件通过由双极板、密封件等构成的共用孔道，经各个单池的进气管导入各个单等构成的共用孔道，经各个单池的进气管导入各个单池，并由流场均匀分配到电极各处。池，并由流场均匀分配到电极各处。因为双极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道，因为双极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道，所以双极板必须是无孔的；由几种材料构成的复合双所以双极板必须是无孔的；由几种材料构成的复合双极扳，至少其中之一是无孔的，实现氧化剂与燃料的极扳，至少其中之一是无孔的，实现氧化剂与燃料的分隔。分隔。4.3 双极板双极板 物理与电子工程学院物理与电子工程学院
21、 College of Physics&Electronic Engineering 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering构成双极板的材料必须在阳极运行条件下构成双极板的材料必须在阳极运行条件下(一定的电一定的电极电位、氧化剂、还原剂等极电位、氧化剂、还原剂等)抗腐蚀，以达到电池组的抗腐蚀，以达到电池组的寿命要求，一般为几千小时至几万小时。寿命要求，一般为几千小时至几万小时。因为因为PEMFC电池组效率一般在电池组效率一般在50左右，双权板左右，双权板材料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出。材料必须是热的
22、良导体，以利于电池组废热的排出。为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于加工加工(如加工流场如加工流场)，最优的材料是适于用批量生产工，最优的材料是适于用批量生产工艺加工的材料。艺加工的材料。至今，制备至今，制备PEMFC双极板广泛采用的材料是石墨和双极板广泛采用的材料是石墨和金属板。金属板。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering1.石墨双极板石墨双极板:厚度为厚度为25mm,机加机加工共用通道工共用通道,利用电利用电脑刻绘机在其表面上脑刻绘机在其表面上加工流场。这
23、种工艺加工流场。这种工艺费时，价高，不易批费时，价高，不易批量生产。量生产。采用蛇形流场的采用蛇形流场的石墨双极板图石墨双极板图 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering双板板流场结构示意图双板板流场结构示意图 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering2.模铸双极板模铸双极板:为降低成本和为降低成本和批量生产，在批量生产，在DOE资助下，资助下，Los Alamos等发展了采用模铸法制备带流场的双极板。方等发展了采用模铸法制备带流场的双
24、极板。方法是将石墨粉和热塑性树脂均匀混合，有时需加入催法是将石墨粉和热塑性树脂均匀混合，有时需加入催化剂等，在一定温度下冲压成型，压力高达几化剂等，在一定温度下冲压成型，压力高达几MPa或或几十几十MPa。该技术尚在发展之中。该技术尚在发展之中。采用这种模铸法制备双极板，由于树脂未实现石采用这种模铸法制备双极板，由于树脂未实现石墨化，双极板的本相电阻要高于石墨双极板，而且双墨化，双极板的本相电阻要高于石墨双极板，而且双极板与电极扩散层的接触电阻也比纯石墨大。但改进极板与电极扩散层的接触电阻也比纯石墨大。但改进联合树脂材料、与石墨粉配比及模铸条件，可以减小联合树脂材料、与石墨粉配比及模铸条件，可
25、以减小模铸板的这两种电阻。模铸板的这两种电阻。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering3.金属双极板：金属双极板：用薄金属板制备双极板的优点是可批量生产，如采用薄金属板制备双极板的优点是可批量生产，如采用冲压技术制备各种结构的双极板。用冲压技术制备各种结构的双极板。这是目前世界各国研发的重点之一。这是目前世界各国研发的重点之一。其难点：在其难点：在PEMFC工作条件下的抗腐蚀问题（氧工作条件下的抗腐蚀问题（氧化，还原，一定的电位和弱酸性电解质下的稳定化，还原，一定的电位和弱酸性电解质下的稳定性）；与扩散层（碳纸）的
26、接触电阻大。性）；与扩散层（碳纸）的接触电阻大。抗腐蚀的方法之一是用改变合金组成与制备工艺的抗腐蚀的方法之一是用改变合金组成与制备工艺的方法。方法。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering4.复合双极板：复合双极板：采用廉价的多孔石墨板制备流场。由于这层多采用廉价的多孔石墨板制备流场。由于这层多孔石墨流场板在电池工作时充满水，既有利于膜的孔石墨流场板在电池工作时充满水，既有利于膜的保湿，也阻止反应气与作为分隔板的薄金属板保湿，也阻止反应气与作为分隔板的薄金属板（0.10.2mm）接触，因而减缓了它的腐蚀。）接触，因
27、而减缓了它的腐蚀。这种复合双极板技术的关键是尽量减少多孔石这种复合双极板技术的关键是尽量减少多孔石墨流场板与薄金属分隔板间的接触电阻。墨流场板与薄金属分隔板间的接触电阻。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 流场：作用是引导反应气流动方向，确保反应流场：作用是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处，经扩散层到达催化层参与气均匀分配到电极各处，经扩散层到达催化层参与电化学反应。电化学反应。流场主要有：网状，多孔，平行沟槽，蛇形和流场主要有：网状，多孔，平行沟槽，蛇形和交指状等。交指状等。流场设计是至关重
28、要的，而且很多是高度保密的专流场设计是至关重要的，而且很多是高度保密的专有技术。有技术。4.4 流场流场 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering平行沟槽流场平行沟槽流场交指状流场交指状流场多孔型流场多孔型流场网状流场网状流场单通道蛇形流场单通道蛇形流场多通道蛇形流场多通道蛇形流场点型流场点型流场 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering计算模拟计算模拟 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Ele
29、ctronic Engineering至今至今PEMFC广泛采用广泛采用的流场以的流场以平行沟槽流场平行沟槽流场和和蛇形流场蛇形流场为主；为主；对于平行沟槽流场可用改变沟与脊的宽度比和平对于平行沟槽流场可用改变沟与脊的宽度比和平行沟槽的长度来改变流经流场沟槽反应气的线速行沟槽的长度来改变流经流场沟槽反应气的线速度，将液态水排出电池。度，将液态水排出电池。对蛇形流场可用改变沟与脊的宽度比、通道的多对蛇形流场可用改变沟与脊的宽度比、通道的多少和蛇形沟槽总长度来调整反应气在流场中流动少和蛇形沟槽总长度来调整反应气在流场中流动线速度，确保将液态水排出电池。线速度，确保将液态水排出电池。物理与电子工程学
30、院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering交指状流场交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优是一种正在开发的新型流场。它的优点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的传质能力，同时将扩散层内水及时排出。传质能力，同时将扩散层内水及时排出。但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配与控制反应气流经流场的压力降方面均需深分配与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研究，并与相应工艺开发相配合。入研究，并与相应工艺开发相配合。物理与电子工程学院物理与电子工程
31、学院 College of Physics&Electronic Engineering 上述各种流场的脊部分靠电池组装力与上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流电极扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之的通道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为流场的比为流场的开孔率开孔率。这一开孔率过高，不但降低反应气流经这一开孔率过高，不但降低反应气流经流场的线速度，而且减少了与电极扩散层的流场的线速度，而且减少了与电极扩散层的接触面积，增大了接触电阻。接触面积，增大了接触电阻。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of
32、Physics&Electronic Engineering 开孔率降得过低，将导致脊部分反应气扩开孔率降得过低，将导致脊部分反应气扩散进入路径过长，增加了传质阻力，导致浓差散进入路径过长，增加了传质阻力，导致浓差极化的增大。一般而言，各种流场的开孔率控极化的增大。一般而言，各种流场的开孔率控制在制在4050之间。之间。对蛇形与平行沟槽流场沟槽的宽度与脊的对蛇形与平行沟槽流场沟槽的宽度与脊的宽度之比控制在宽度之比控制在1：(1.2-2.0)之间。通常沟槽的之间。通常沟槽的宽度为宽度为1mm左右，因此脊的宽度应在左右，因此脊的宽度应在1-2mm之之间。间。沟槽的深度应由沟槽总长度和允许的反应沟槽
33、的深度应由沟槽总长度和允许的反应气流经流场的总压降决定，一般应控制在气流经流场的总压降决定，一般应控制在0.5-1.0mm之间。之间。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering单电池：它是构成电池组的基本单元，电池组的设计单电池：它是构成电池组的基本单元，电池组的设计要以单电池的实验数据为基础。各种关键材料的性能要以单电池的实验数据为基础。各种关键材料的性能与寿命最终要通过单电池实验的考核。与寿命最终要通过单电池实验的考核。对于对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组装力仅靠电池组的组
34、装力,不但电极与膜之间的接触不好不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无法进入多孔气而且质子导体也无法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化，需向多孔气体扩散电体电极的内部。为了实现电极的立体化，需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺酸树脂），同时为改善电极与极内部加入质子导体（如全氟磺酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）膜的接触，将已加入全氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了和已加入全氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一三合一”组组件（件（MEA）5.PEMFC单电池与电池组单电
35、池与电池组5.1 单电池单电池 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic EngineeringMEA的制备的制备 将质子交换膜和扩散层催化层电极，浸将质子交换膜和扩散层催化层电极，浸润润Nafion液后，在一定温度和压力下，热压成液后，在一定温度和压力下，热压成膜电极组件。制备工艺至关重要。膜电极组件。制备工艺至关重要。涂上催化剂的Nafion膜MEA的热压成型 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering电池组的主体为电池组的主体为MEA，双极板及相应，双极板
36、及相应 可兼作电流导出可兼作电流导出板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加一定的组装力。一定的组装力。若两块端板用金属若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等如不锈钢、铁板、超
37、硬铝等)制作，制作，还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘板。板。5.2 电池组电池组 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering5.2.1 电池组结构示意图电池组结构示意图 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering效率和比功率分别是电池组在标定功率下运行时的能效率
38、和比功率分别是电池组在标定功率下运行时的能量转化效率和在标定功率下运行时的质量比功率和体量转化效率和在标定功率下运行时的质量比功率和体积比功率。积比功率。1）对于民用发电（分散电源或家庭电源），能量转化）对于民用发电（分散电源或家庭电源），能量转化效率更为重要，而对体积比功率与质量比功率的要求效率更为重要，而对体积比功率与质量比功率的要求次之。故依据用户对电池组工作电压的要求确定串联次之。故依据用户对电池组工作电压的要求确定串联的单电池数目时，一般选取单电池电压为的单电池数目时，一般选取单电池电压为0.700.75V。这样在不考虑燃料利用率时，电池组的效率可达这样在不考虑燃料利用率时，电池组的
39、效率可达56%60%(LHV)。再依据单电池的实验。再依据单电池的实验V-A特性曲线，特性曲线，确定电池组工作电流密度，进而依据用户对电池组标确定电池组工作电流密度，进而依据用户对电池组标定功率的要求确定电极的工作面积。在确定工作面积定功率的要求确定电极的工作面积。在确定工作面积时，还应考虑电池系统的内耗。时，还应考虑电池系统的内耗。5.2.2 电池组设计原则电池组设计原则 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering2）对于电动车发动机用的）对于电动车发动机用的PEMFC和各种移动动力和各种移动动力源，则对电池组的质
40、量比功率和体积比功率的要求源，则对电池组的质量比功率和体积比功率的要求更高些。更高些。为提高电池组的质量比功率和体积比功率，在电池为提高电池组的质量比功率和体积比功率，在电池关键材料与单电池性能已定时，只有提高电池工作关键材料与单电池性能已定时，只有提高电池工作电流密度，此时一般选取单电池工作电压为电流密度，此时一般选取单电池工作电压为0.600.65V，再依据用户对电池工作电压的要求，再依据用户对电池工作电压的要求确定单电池数目，进而依据确定单电池数目，进而依据V-A特性曲线确定电极特性曲线确定电极的工作面积。的工作面积。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physi
41、cs&Electronic Engineering 流场结够对流场结够对PEMFC电池组至关重要，而且与电池组至关重要，而且与反应气纯度、电池系统的流程密切相关。反应气纯度、电池系统的流程密切相关。因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，如反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有，如反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有，回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 Coll
42、ege of Physics&Electronic Engineering 要求是按照设计的密封结构，在电池组组装要求是按照设计的密封结构，在电池组组装力的作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、力的作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、氧化剂和冷却液不互窜。氧化剂和冷却液不互窜。5.2.3 电池组密封电池组密封 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 由于膜的质子（离子）导电性与膜的润湿状态密由于膜的质子（离子）导电性与膜的润湿状态密切相关，因此保证膜的充分湿润性是电池正常运行的切相关，因此保证膜的充分湿润性
43、是电池正常运行的关键因素之一。关键因素之一。PEMFC的工作温度低于的工作温度低于100，电池，电池内生成的水是以液态形式存在，一般是采用适宜的流内生成的水是以液态形式存在，一般是采用适宜的流场，确保反应气在流场内流动线速度达到一定值（如场，确保反应气在流场内流动线速度达到一定值（如几米每秒以上），依靠反应气吹扫出电池反应生成的几米每秒以上），依靠反应气吹扫出电池反应生成的水。但大量液态水的存在会导致阴极扩散层内氧传质水。但大量液态水的存在会导致阴极扩散层内氧传质速度的降低。速度的降低。因此，如何保证适宜的操作条件，使因此，如何保证适宜的操作条件，使生成水的生成水的90%以上以气态水形式排出以
44、上以气态水形式排出。这样不但能增加氧阴极。这样不但能增加氧阴极气体扩散层内氧的传质速度，而且还会减少电池组废气体扩散层内氧的传质速度，而且还会减少电池组废热排出的热负荷。热排出的热负荷。5.2.4 电池组的水管理电池组的水管理 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering质子交换膜内的水传递过程有三种传递方式：质子交换膜内的水传递过程有三种传递方式：1）电迁移电迁移：水分子与：水分子与H+一起，由膜的阳极侧向阴一起，由膜的阳极侧向阴极侧迁移。电迁移的水量与电池工作电流密度和质极侧迁移。电迁移的水量与电池工作电流密度和质
45、子的水合数有关。子的水合数有关。2）浓差反扩散浓差反扩散：因为因为PEMFC为酸性燃料电池，水为酸性燃料电池，水在阴极生成，因此，膜阴极侧水浓度高于阳极侧，在阴极生成，因此，膜阴极侧水浓度高于阳极侧，在水浓差的作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧反扩在水浓差的作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧反扩散。反扩散迁移的水量与水的浓度梯度和水在质子散。反扩散迁移的水量与水的浓度梯度和水在质子交换膜内的扩散系数成正比。交换膜内的扩散系数成正比。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering3）压力迁移压力迁移：在：在PEMFC的运行过程中，
46、一般的运行过程中，一般使氧化剂压力高于还原剂的压力，在反应气压使氧化剂压力高于还原剂的压力，在反应气压力梯度作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧传递，力梯度作用下，水由膜的阴极侧向阳极侧传递，即压力迁移。压力迁移的水量与压力梯度和水即压力迁移。压力迁移的水量与压力梯度和水在膜中的渗透系数成正比，而与水在膜中的粘在膜中的渗透系数成正比，而与水在膜中的粘度成反比。度成反比。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 水在质子交换膜内的迁移过程可用水在质子交换膜内的迁移过程可用Nernst-Plank方程表示方程表示：mpmwm
47、wmdmwpkCCDFinN,式中，式中，nd,Dm,kp,Cw,m,i,F,Pm分别是水的电迁移分别是水的电迁移系数，水在膜中的扩散系数，水在膜中的渗透系数，系数，水在膜中的扩散系数，水在膜中的渗透系数，水在膜中的粘度，膜中水的浓度，电流密度，法拉水在膜中的粘度，膜中水的浓度，电流密度，法拉第常数，和膜两侧的压力。第常数，和膜两侧的压力。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering由上式可知：由上式可知：1）阴极侧的压力高于阳极侧的压力，有利于水从）阴极侧的压力高于阳极侧的压力，有利于水从膜的阴极向阳极侧的传递。但压
48、力差受电池结构的膜的阴极向阳极侧的传递。但压力差受电池结构的限制和空压机功耗的制约。限制和空压机功耗的制约。2）膜越薄越有利于水由膜的阴极侧向阳极侧的反）膜越薄越有利于水由膜的阴极侧向阳极侧的反扩散，有利于用电池反应生成的水润湿膜的阳极。扩散，有利于用电池反应生成的水润湿膜的阳极。3）当电池在低电流下工作时，由于膜内的迁移质）当电池在低电流下工作时，由于膜内的迁移质子少，随质子电迁移的水也少，有利于膜内水浓度子少，随质子电迁移的水也少，有利于膜内水浓度的均匀分布。的均匀分布。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering
49、电池组排水电池组排水PEMFC工作温度低于工作温度低于1000C，电化学反应生成的水，电化学反应生成的水为液态。生成的水可以两种方式排出：为液态。生成的水可以两种方式排出：气态或液态气态或液态。当反应气为达到当地相应温度下水蒸气分压力时，当反应气为达到当地相应温度下水蒸气分压力时，水可汽化，并随电池排放的尾气排出电池；当反应水可汽化，并随电池排放的尾气排出电池；当反应气的相对湿度超过当地温度对应的饱和水蒸气湿度气的相对湿度超过当地温度对应的饱和水蒸气湿度时，电池生成的水以液态形式存在。液相水主要是时，电池生成的水以液态形式存在。液相水主要是在毛细力和压差作用下，传递到扩散层的气相侧，在毛细力和
50、压差作用下，传递到扩散层的气相侧，由反应气吹扫出电池。由反应气吹扫出电池。一般，两种排水方式在电池中同时存在。其比例与一般，两种排水方式在电池中同时存在。其比例与电池的工作条件和燃料与氧化剂的状态等有关。电池的工作条件和燃料与氧化剂的状态等有关。物理与电子工程学院物理与电子工程学院 College of Physics&Electronic Engineering 水的蒸发与凝结是一个典型的相变过程，并水的蒸发与凝结是一个典型的相变过程，并有相变热的吸收或放出。当电池中产生液相水时，有相变热的吸收或放出。当电池中产生液相水时，电池中的流动是两相流动电池中的流动是两相流动。由于电池本身的结构。由
