1、質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池1 工作原理工作原理 質子交換膜型燃料電池質子交換膜型燃料電池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)以全氟磺酸型固體以全氟磺酸型固體聚合物為電解質，鉑聚合物為電解質，鉑/炭或鉑炭或鉑-釕釕/炭為電催化劑，炭為電催化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。雙極板。下圖為下圖為PEMFC的工作原理示意圖。的工作原理示意圖。由圖可知，構成由圖可知，構成PEMFC的關鍵材料與部件的

2、關鍵材料與部件為電催化劑、電極為電催化劑、電極(陰極與陽極陰極與陽極)、質子交換、質子交換膜和雙極板。膜和雙極板。PEMFC中的電極反應類同于其他酸性電解質燃料電中的電極反應類同于其他酸性電解質燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發生電極反池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發生電極反應應:該電極反應產生的電子經外電路到達陰極，氫離子則該電極反應產生的電子經外電路到達陰極，氫離子則經質子交換膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極經質子交換膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極發生反應生成水。生成的水不稀釋電解質，而是通過發生反應生成水。生成的水不稀釋電解質，而是通過電極隨反應尾氣排出。電極隨

3、反應尾氣排出。eHH222OHeHO222221OHOH22221總的反應總的反應：陽極反應：陽極反應：陰極反應陰極反應：發展簡史發展簡史20世紀世紀60年代，美國首先將年代，美國首先將PEMFC用于雙子星座航用于雙子星座航天飛行。該電池當時采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在電天飛行。該電池當時采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在電池工作過程中該膜發生降解。膜的降解不但導致電池池工作過程中該膜發生降解。膜的降解不但導致電池壽命的縮短，且還污染了電池的生成水，使宇航員無壽命的縮短，且還污染了電池的生成水，使宇航員無法飲用。法飲用。其后，盡管通用電器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸其后，盡管通用電器公司曾采用杜邦公司的

4、全氟磺酸膜，延長了電池壽命，解決了電池生成水被污染的問膜，延長了電池壽命，解決了電池生成水被污染的問題，并用小電池在生物實驗衛星上進行了搭載實驗。題，并用小電池在生物實驗衛星上進行了搭載實驗。但在美國航天飛機用電源的競爭中未能中標，讓位于但在美國航天飛機用電源的競爭中未能中標，讓位于石棉膜型堿性氫氧燃料電池石棉膜型堿性氫氧燃料電池(AFC)，造成，造成PEMFC的研的研究長時間內處于低谷。究長時間內處于低谷。1983年，加拿大國防部資助了巴拉德動力公司進行年，加拿大國防部資助了巴拉德動力公司進行PEMFC的研究。在加拿大、美國等國科學家的共的研究。在加拿大、美國等國科學家的共同努力下，同努力下

5、，FEMFC取得了突破性進展。取得了突破性進展。采用薄的采用薄的(50-150 m)高電導率的高電導率的Nafion和和Dow全氟全氟磺酸膜，使電池性能提高數倍。磺酸膜，使電池性能提高數倍。接著又采用鉑炭催化劑代替純鉑黑，在電極催化層接著又采用鉑炭催化劑代替純鉑黑，在電極催化層中加入全氟磺酸樹脂，實現了電極的立體化并將中加入全氟磺酸樹脂，實現了電極的立體化并將陰極、陽極與膜熱壓到一起，組成電極陰極、陽極與膜熱壓到一起，組成電極-膜膜-電極電極“三合一三合一”組件組件(membrane-electrode-assembly，MEA)。這種工藝減少了膜與電池的接觸電阻，并在電極這種工藝減少了膜與電

6、池的接觸電阻，并在電極內建立起質子通道，擴展了電極反應的三相界面，內建立起質子通道，擴展了電極反應的三相界面，增加了鉑的利用率。不但大幅度提高了電池性能，增加了鉑的利用率。不但大幅度提高了電池性能，而且使電極的鉑擔量降至低于而且使電極的鉑擔量降至低于0.5mg/cm2，電池輸，電池輸出功率密度高達出功率密度高達0.5-2w/cm2，電池組的質量比功，電池組的質量比功率和體積比功率分別達到率和體積比功率分別達到700w/kg和和1000w/L。三三. 特點與用途特點與用途除了具有除了具有FC的一般優點外，的一般優點外，PEMFC還具有：還具有： 室溫下快速啟動室溫下快速啟動 無電解質液流失無電解

7、質液流失 比功率和比能量高比功率和比能量高 壽命長。壽命長。可用于分散電站，移動電源，是電動車、移動通可用于分散電站，移動電源，是電動車、移動通訊和潛艇等的理想電源，也是最佳的家庭動力源。訊和潛艇等的理想電源，也是最佳的家庭動力源。四四. 電極電極PEMFC的電極均為氣體擴散電極。它至少有兩層的電極均為氣體擴散電極。它至少有兩層構成：起支撐作用的擴散層和為電化學反應進行構成：起支撐作用的擴散層和為電化學反應進行的催化層。的催化層。催化層催化層擴散層擴散層電極結構示意圖電極結構示意圖（一）擴散層（一）擴散層功能：功能：1）起支撐作用，為此要求擴散層適于擔載催化層，擴）起支撐作用，為此要求擴散層適

8、于擔載催化層，擴散層與催化層的接觸電阻要小；催化層主要成分是散層與催化層的接觸電阻要小；催化層主要成分是Pt/C電催化劑，故擴散層一般選炭材制備；電催化劑，故擴散層一般選炭材制備；2）反應氣需經擴散層才能到達催化層參與電化學反應，）反應氣需經擴散層才能到達催化層參與電化學反應，因此擴散層應具備高孔隙率和適宜的孔分布，有利于因此擴散層應具備高孔隙率和適宜的孔分布，有利于傳質。傳質。 （3）陽極擴散層收集燃料的電化學氧化產生的電）陽極擴散層收集燃料的電化學氧化產生的電流，陰極擴散層為氧的電化學還原反應輸送電子，流，陰極擴散層為氧的電化學還原反應輸送電子，即擴散層應是電的良導體。因為即擴散層應是電的

9、良導體。因為FEMFC工作電流工作電流密度高達密度高達1A/cm2，擴散層的電阻應在，擴散層的電阻應在m .cm2的數的數量級。量級。4）PEMFC效率一般在效率一般在50左右，極化主要在氧陰左右，極化主要在氧陰極，因此擴散層尤其是氧電極的擴散層應是熱的良極，因此擴散層尤其是氧電極的擴散層應是熱的良導體。導體。5）擴散層材料與結構應能在）擴散層材料與結構應能在PEMFC工作條件下保工作條件下保持持擴散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布是擴散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布是可以達到的，但是可以達到的，但是PEMFC擴散層要同時滿足擴散層要同時滿足反應氣與產物水的傳遞，并具有高的極限電流，反應

10、氣與產物水的傳遞，并具有高的極限電流，則是擴散層制備過程中最難的技術問題。則是擴散層制備過程中最難的技術問題。（二）質子交換膜（二）質子交換膜它是它是PEMFC的最關鍵部件之一，直接影響電池的性的最關鍵部件之一，直接影響電池的性能與壽命。質子交換膜應滿足的要求：能與壽命。質子交換膜應滿足的要求：1）高的）高的H+離子傳導能力；離子傳導能力；2）在）在FC運行條件下，膜結構與樹脂組成保持不運行條件下，膜結構與樹脂組成保持不 變，即具有良好的化學和電化學穩定性；變，即具有良好的化學和電化學穩定性；3）具有低的反應氣體滲透性，保證）具有低的反應氣體滲透性，保證FC具有高的法具有高的法 拉第效率；拉第

11、效率；4）具有一定的機械強度。）具有一定的機械強度。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 質 子 交 換 膜 ， 即型 質 子 交 換 膜 ， 即 N a f i o n 膜 ， 售 價 高 達膜 ， 售 價 高 達$500800/m2。因此，開發性能優良的交換膜是當前研究的熱點因此，開發性能優良的交換膜是當前研究的熱點之一。之一。全氟磺酸型質子交換膜傳導質子必須要有水存在全氟磺酸型質子交換膜傳導質子必須要有水存在才行，其傳導率與膜的含水率呈線性關系。才行，其傳導率與膜的含水率呈線性關系。實驗表明，當相對濕度小于實驗表明，當相對濕度小于35%時，

12、膜電導顯著時，膜電導顯著下降，而在相對濕度小于下降，而在相對濕度小于15%時，時，Nafion膜幾乎膜幾乎成為絕緣體。成為絕緣體。（三）雙極板（三）雙極板PEMFC電池組一般按壓濾機方式組裝。由圖可知，雙電池組一般按壓濾機方式組裝。由圖可知，雙極板必須滿足下述功能要求。極板必須滿足下述功能要求。 實現單池之間的電的聯結，因此，它必須由導電良實現單池之間的電的聯結，因此，它必須由導電良好的材料構成。好的材料構成。將燃料將燃料(如氫如氫)和氧化劑和氧化劑(如氧如氧)通過由雙極板、密封件通過由雙極板、密封件等構成的共用孔道，經各個單池的進氣管導入各個單等構成的共用孔道，經各個單池的進氣管導入各個單池

13、，并由流場均勻分配到電極各處池，并由流場均勻分配到電極各處。 因為雙極板兩側的流場分別是氧化劑與燃料通道，因為雙極板兩側的流場分別是氧化劑與燃料通道，所以雙極板必須是無孔的；由幾種材料構成的復合雙所以雙極板必須是無孔的；由幾種材料構成的復合雙極扳，至少其中之一是無孔的，實現氧化劑與燃料的極扳，至少其中之一是無孔的，實現氧化劑與燃料的分隔。分隔。構成雙極板的材料必須在陽極運行條件下構成雙極板的材料必須在陽極運行條件下(一定的電一定的電極電位、氧化劑、還原劑等極電位、氧化劑、還原劑等)抗腐蝕，以達到電池組的抗腐蝕，以達到電池組的壽命要求，一般為幾千小時至幾萬小時壽命要求，一般為幾千小時至幾萬小時。

14、因為因為PEMFC電池組效率一般在電池組效率一般在50左右，雙權板材左右，雙權板材料必須是熱的良導體，以利于電池組廢熱的排出。料必須是熱的良導體，以利于電池組廢熱的排出。為降低電池組的成本，制備雙極板的材料必須易于為降低電池組的成本，制備雙極板的材料必須易于加工加工(如加工流場如加工流場)，最優的材料是適于用批量生產工，最優的材料是適于用批量生產工藝加工的材料。藝加工的材料。 至今，制備至今，制備PEMFC雙極板廣泛采用的材料是石墨和雙極板廣泛采用的材料是石墨和金屬板。金屬板。1.石墨雙極板石墨雙極板: 厚度為厚度為25mm, 機加機加工共用通道工共用通道, 利用電利用電腦刻繪機在其表面上腦刻

15、繪機在其表面上加工流場。這種工藝加工流場。這種工藝費時，價高，不易批費時，價高，不易批量生產。量生產。采用蛇形流場的采用蛇形流場的石墨雙極板圖石墨雙極板圖雙板板流場結構示意圖雙板板流場結構示意圖2.模鑄雙極板模鑄雙極板:為降低成本和批量生產，在為降低成本和批量生產，在DOE資助下，資助下，Los Alamos等發展了采用模鑄法制備帶流場的雙極板。方法是將等發展了采用模鑄法制備帶流場的雙極板。方法是將石墨粉和熱塑性樹脂均勻混合，有時需加入催化劑等，石墨粉和熱塑性樹脂均勻混合，有時需加入催化劑等，在一定溫度下沖壓成型，壓力高達幾在一定溫度下沖壓成型，壓力高達幾MPa或幾十或幾十MPa。該技術尚在發

16、展之中。該技術尚在發展之中。采用這種模鑄法制備雙極板，由于樹脂未實現石墨化，采用這種模鑄法制備雙極板，由于樹脂未實現石墨化，雙極板的本相電阻要高于石墨雙極板，而且雙極板與雙極板的本相電阻要高于石墨雙極板，而且雙極板與電極擴散層的接觸電阻也比純石墨大。但改進聯合樹電極擴散層的接觸電阻也比純石墨大。但改進聯合樹脂材料、與石墨粉配比及模鑄條件，可以減小模鑄板脂材料、與石墨粉配比及模鑄條件，可以減小模鑄板的這兩種電阻。的這兩種電阻。3.金屬雙極板：金屬雙極板：用薄金屬板制備雙極板的優點是可批量生產，如采用薄金屬板制備雙極板的優點是可批量生產，如采用沖壓技術制備各種結構的雙極板。用沖壓技術制備各種結構的

17、雙極板。這是目前世界各國研發的重點之一。這是目前世界各國研發的重點之一。其難點：在其難點：在PEMFC工作條件下的抗腐蝕問題（氧工作條件下的抗腐蝕問題（氧化，還原，一定的電位和弱酸性電解質下的穩定化，還原，一定的電位和弱酸性電解質下的穩定性）；與擴散層（碳紙）的接觸電阻大。性）；與擴散層（碳紙）的接觸電阻大。抗腐蝕的方法之一是用改變合金組成與制備工藝的抗腐蝕的方法之一是用改變合金組成與制備工藝的方法。方法。4. 復合雙極板：復合雙極板：采用廉價的多孔石墨板制備流場。由于這層多孔石采用廉價的多孔石墨板制備流場。由于這層多孔石墨流場板在電池工作時充滿水，既有利于膜的保濕，墨流場板在電池工作時充滿水

18、，既有利于膜的保濕，也 阻 止 反 應 氣 與 作 為 分 隔 板 的 薄 金 屬 板也 阻 止 反 應 氣 與 作 為 分 隔 板 的 薄 金 屬 板（0.10.2mm)接觸，因而減緩了它的腐蝕。接觸，因而減緩了它的腐蝕。這種復合雙極板技術的關鍵是盡量減少多孔石墨流這種復合雙極板技術的關鍵是盡量減少多孔石墨流場板與薄金屬分隔板間的接觸電阻。場板與薄金屬分隔板間的接觸電阻。（四）流場：作用是引導反應氣流動方向，確保反（四）流場：作用是引導反應氣流動方向，確保反應氣均勻分配到電極各處，經擴散層到達催化層參應氣均勻分配到電極各處，經擴散層到達催化層參與電化學反應。與電化學反應。流場主要有：網狀，多

19、孔，平行溝槽，蛇形和交指流場主要有：網狀，多孔，平行溝槽，蛇形和交指狀等。狀等。流場設計是至關重要的，而且很多是高度保密的專流場設計是至關重要的，而且很多是高度保密的專有技術。有技術。平行溝槽流場交指狀流場交指狀流場多孔型流場多孔型流場網狀流場網狀流場單通道蛇形流單通道蛇形流場場多通道蛇形流場多通道蛇形流場至今至今PEMFC廣泛采用的流場以平行溝槽流場和廣泛采用的流場以平行溝槽流場和蛇形流場為主；蛇形流場為主；對于平行溝槽流場可用改變溝與脊的寬度比和平對于平行溝槽流場可用改變溝與脊的寬度比和平行溝槽的長度來改變流經流場溝槽反應氣的線速行溝槽的長度來改變流經流場溝槽反應氣的線速度，將液態水排出電

20、池。度，將液態水排出電池。對蛇形流場可用改變溝與脊的寬度比、通道的多對蛇形流場可用改變溝與脊的寬度比、通道的多少和蛇形溝槽總長度來調整反應氣在流場中流動少和蛇形溝槽總長度來調整反應氣在流場中流動線速度，確保將液態水排出電池。線速度，確保將液態水排出電池。交指狀流場是一種正在開發的新型流場。它的優交指狀流場是一種正在開發的新型流場。它的優點是強迫反應氣流經電極的擴散層強化擴散層的點是強迫反應氣流經電極的擴散層強化擴散層的傳質能力，同時將擴散層內水及時排出。傳質能力，同時將擴散層內水及時排出。但這種流場在確保反應氣在電極各處的均勻分配但這種流場在確保反應氣在電極各處的均勻分配與控制反應氣流經流場的

21、壓力降方面均需深入研與控制反應氣流經流場的壓力降方面均需深入研究，并與相應工藝開發相配合。究，并與相應工藝開發相配合。上述各種流場的脊部分靠電池組裝力與電極上述各種流場的脊部分靠電池組裝力與電極擴散層緊密接觸，而溝部分為反應氣流的通擴散層緊密接觸，而溝部分為反應氣流的通道，一般溝槽部分面積與脊部分面積之比為道，一般溝槽部分面積與脊部分面積之比為流場的流場的開孔率開孔率。這一開孔率過高，不但降低反應氣流經流場這一開孔率過高，不但降低反應氣流經流場的線速度，而且減少了與電極擴散層的接觸的線速度，而且減少了與電極擴散層的接觸面積，增大了接觸電阻。面積，增大了接觸電阻。開孔率降得過低，將導致脊部分反應

22、氣擴散開孔率降得過低，將導致脊部分反應氣擴散進入路徑過長，增加了傳質阻力，導致濃差進入路徑過長，增加了傳質阻力，導致濃差極化的增大。一般而言，各種流場的開孔率極化的增大。一般而言，各種流場的開孔率控制在控制在40一一50之間。之間。對蛇形與平行溝槽流場溝槽的寬度與脊的寬對蛇形與平行溝槽流場溝槽的寬度與脊的寬度之比控制在度之比控制在1：(1.2-2.0)之間。通常溝槽的之間。通常溝槽的寬度為寬度為1mm左右，因此脊的寬度應在左右，因此脊的寬度應在1-2mm之間。之間。溝槽的深度應由溝槽總長度和允許的反應氣溝槽的深度應由溝槽總長度和允許的反應氣流經流場的總壓降決定，一般應控制在流經流場的總壓降決定

23、，一般應控制在0.5-1.0mm之間。之間。（五）單電池：它是構成電池組的基本單元，電池組五）單電池：它是構成電池組的基本單元，電池組的設計要以單電池的實驗數據為基礎。各種關鍵材料的設計要以單電池的實驗數據為基礎。各種關鍵材料的性能與壽命最終要通過單電池實驗的考核。的性能與壽命最終要通過單電池實驗的考核。1.膜電極膜電極“三合一三合一”組件組件 (membrane electrode assembly)對于對于PEMFC,由于膜為高分子聚合物由于膜為高分子聚合物,僅靠電池組的組僅靠電池組的組裝力裝力,不但電極與膜之間的接觸不好不但電極與膜之間的接觸不好,而且質子導體也無而且質子導體也無法進入多

24、孔氣體電極的內部。為了實現電極的立體化，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，形成了氟磺酸樹脂的陰極壓合在一起，形成了“三合一三合一”組組件（件（MEA）2.電池組：電池組：電池組的主體為電池組的主體為MEA，雙極板及相應，雙極板及相應 可兼作電流導出可兼作電流導出板，為電池組的正極；

25、另一端為陽單極板，也可兼作板，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。一定的組裝力。若兩塊端板用金屬若兩塊端板用金屬(如不銹鋼、鐵板、超硬鋁等如不銹鋼、鐵板、超硬鋁等)制作，制作，還需在導流板與端板之間加入由工程塑料

26、制備的絕緣還需在導流板與端板之間加入由工程塑料制備的絕緣板。板。電池組結構示意圖電池組結構示意圖電池組設計原則：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。積比功率。1）對于民用發電（分散電源或家庭電源），能量轉化）對于民用發電（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次之。故依據用戶對電池組工作電壓的要

27、求確定串聯的單電池數目時，一般選取單電池電壓為的單電池數目時，一般選取單電池電壓為0.700.75V。這樣在不考慮燃料利用率時，電池組的效率可達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。再依據單電池的實驗V-A特性曲線，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，還應考慮電池系統的內耗。時，還應考慮電池系統的內耗。2）對于電動車發動機用的）對于電動車發動機用的PEMFC和各種移動動力和各種移動動力源

28、，則對電池組的質量比功率和體積比功率的要求源，則對電池組的質量比功率和體積比功率的要求更高些。更高些。為提高電池組的質量比功率和體積比功率，在電池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電流密度，此時一般選取單電池工作電壓為0.600.65V，再依據用戶對電池工作電壓的要求確，再依據用戶對電池工作電壓的要求確定單電池數目，進而依據定單電池數目，進而依據V-A特性曲線確定電極的特性曲線確定電極的工作面積。工作面積。流場結夠對流場結夠對PEMFC電池組至關重要，而且與反

29、應電池組至關重要，而且與反應氣純度、電池系統的流程密切相關。氣純度、電池系統的流程密切相關。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，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。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、氧作用

30、下，達到反應氣、冷卻液不外漏，燃料、氧化劑和冷卻液不互竄。化劑和冷卻液不互竄。3電池組的水管理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密切相由于膜的質子（離子）導電性與膜的潤濕狀態密切相關，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。因素之一。PEMFC的工作溫度低于的工作溫度低于100，電池內生，電池內生成的水是以液態形式存在，一般是采用適宜的流場，成的水是以液態形式存在，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

31、的水。每秒以上），依靠反應氣吹掃出電池反應生成的水。但大量液態水的存在會導致陰極擴散層內氧傳質速度但大量液態水的存在會導致陰極擴散層內氧傳質速度的降低。的降低。因此，如何保證適宜的操作條件，使生成水的因此，如何保證適宜的操作條件，使生成水的90%以以上以氣態水形式排出。這樣不但能增加氧陰極氣體擴上以氣態水形式排出。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。的熱負荷。質子交換膜內的水傳遞過程有三種傳遞方式：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）電遷移：水分子與H+一起，由膜的陽極側向陰一

32、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。子的水合數有關。2）濃差反擴散：因為）濃差反擴散：因為PEMFC為酸性燃料電池，水為酸性燃料電池，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。交換膜內的擴散系數成正比。3）壓力遷移：在）壓力遷移：在PEMFC的運行過程中，一般的

33、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，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，而與水在膜中的粘在膜中的滲透系數成正比，而與水在膜中的粘度成反比。度成反比。水在質子交換膜內的遷移過程可用水在質子交換膜內的遷移過程可用Nernst-Plank方方程表示程表示：mpmwmwmdmwpkCCDFinN,式中，式中，nd, Dm , kp, , Cw,m, i, F, Pm分別是水的電遷移分別是水的電

34、遷移系數，水在膜中的擴散系數，水在膜中的滲透系數，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。第常數，和膜兩側的壓力。由上式可知：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）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。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）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

35、的陽極。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）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。的均勻分布。電池組排水電池組排水PEMFC工作溫度低于工作溫度低于1000C，電化學反應生成的水，電化學反應生成的水為液態。生成的水可以兩種方式排出：氣態或液態。為液態。生成的水可以兩種方式排出：氣態或液態。當反應氣為達到當地相應溫度下水蒸氣分壓力時，當反應氣為達到當地相應溫度下水蒸氣分壓力時，水可汽化，并隨電池排放的尾氣排出電池；當反應水可汽化，并隨電池排放

36、的尾氣排出電池；當反應氣的相對濕度超過當地溫度對應的飽和水蒸氣濕度氣的相對濕度超過當地溫度對應的飽和水蒸氣濕度時，電池生成的水以液態形式存在。液相水主要是時，電池生成的水以液態形式存在。液相水主要是在毛細力和壓差作用下，傳遞到擴散層的氣相側，在毛細力和壓差作用下，傳遞到擴散層的氣相側，由反應氣吹掃出電池。由反應氣吹掃出電池。一般，兩種排水方式在電池中同時存在。其比例與一般，兩種排水方式在電池中同時存在。其比例與電池的工作條件和燃料與氧化劑的狀態等有關。電池的工作條件和燃料與氧化劑的狀態等有關。水的蒸發與凝結是一個典型的相變過程，并有相水的蒸發與凝結是一個典型的相變過程，并有相變熱的吸收或放出。

37、當電池中產生液相水時，電變熱的吸收或放出。當電池中產生液相水時，電池中的流動是兩相流動。由于電池本身的結構特池中的流動是兩相流動。由于電池本身的結構特點，相對于氣相水而言，液相水的排出會更加困點，相對于氣相水而言，液相水的排出會更加困難。而當電池在高電流密度下運行時，兩相流的難。而當電池在高電流密度下運行時，兩相流的發生是不可避免的。發生是不可避免的。因此，因此，PEMFC電池中的兩相流和多組分傳遞過電池中的兩相流和多組分傳遞過程研究已成為該類電池發展中的一個關鍵而困難程研究已成為該類電池發展中的一個關鍵而困難的研究課題，已受到國內外的高度重視。的研究課題，已受到國內外的高度重視。00.10.

38、20.30.40.50.60.70.80.9100.10.20.30.40.50.60.70.80.91Current Density, A/cm2Cell Potential, VCell Reaching Mass Transport Limit Due to Electrode FloodingEffect of Electrode Flooding on Performance(Celltemperature:51oC,H2flowrate:2A/cm2,Airflowrate:2.8A/cm2,ambientpressure,H2spargertemperature:50oC,Air

39、spargertemperature:27oC) 電池組的熱管理電池組的熱管理為了維持電池的工作溫度恒定，必須將為了維持電池的工作溫度恒定，必須將FC產生的產生的廢熱排出。廢熱排出。目前對目前對PEMFC電池組采用的排熱方法主要是冷電池組采用的排熱方法主要是冷卻液循環排熱法。冷卻液是純水或水與乙二醇的卻液循環排熱法。冷卻液是純水或水與乙二醇的混合液。混合液。對于小功率的對于小功率的FC電池組，也可采用空氣冷卻方式。電池組，也可采用空氣冷卻方式。正在發展采用液體（如乙醇）蒸發排熱方法。正在發展采用液體（如乙醇）蒸發排熱方法。在電池組排熱設計中，應根據電池組的排熱負荷，在電池組排熱設計中，應根據電

40、池組的排熱負荷，在確定的電池組循環冷卻液進出口最大壓差的前提在確定的電池組循環冷卻液進出口最大壓差的前提下，依據冷卻液的比熱容計算其流量。下，依據冷卻液的比熱容計算其流量。為確保電池組溫度分布的均勻性，冷卻液進出口最為確保電池組溫度分布的均勻性，冷卻液進出口最大溫差一般不超過大溫差一般不超過100C，最好為，最好為50C。這樣，冷卻。這樣，冷卻水流量比較大，為減少冷卻水泵功耗，應盡量減少水流量比較大，為減少冷卻水泵功耗，應盡量減少冷卻液流經電池組的壓力降。冷卻液流經電池組的壓力降。在冷卻通道的設計中要考慮流動阻力的因素。在冷卻通道的設計中要考慮流動阻力的因素。當以水為冷卻液時，應采用去離子水，

41、對水的當以水為冷卻液時，應采用去離子水，對水的電導要求很嚴格。電導要求很嚴格。一旦水被污染，電導升高，則在電池組的冷卻一旦水被污染，電導升高，則在電池組的冷卻水流經的共用管道內要發生輕微的電解，產生水流經的共用管道內要發生輕微的電解，產生氫氧混合氣體，影響電池的安全運行，同時也氫氧混合氣體，影響電池的安全運行，同時也會產生一定的內漏電，降低電池組的能量轉化會產生一定的內漏電，降低電池組的能量轉化效率。效率。當用水和乙二醇混合液作為冷卻劑時，冷卻劑的電當用水和乙二醇混合液作為冷卻劑時，冷卻劑的電阻將增大。由于冷卻劑的比熱容降低，循環量要增阻將增大。由于冷卻劑的比熱容降低，循環量要增大，而且一旦冷

42、卻劑被金屬離子污染，其去除要比大，而且一旦冷卻劑被金屬離子污染，其去除要比純水難度大得多，因為水中的污染金屬離子可通過純水難度大得多，因為水中的污染金屬離子可通過離子交換法去除。離子交換法去除。空氣冷卻：對千瓦級尤其是百瓦級空氣冷卻：對千瓦級尤其是百瓦級PEMFC電池組，電池組，可以采用空氣冷卻來排除電池組產生的廢熱。可以采用空氣冷卻來排除電池組產生的廢熱。排熱板流場結構示意圖排熱板流場結構示意圖常壓空氣冷卻的雙極板結構示意常壓空氣冷卻的雙極板結構示意各種極化的比較各種極化的比較圖圖 O2壓力對電池性能的影響壓力對電池性能的影響電池組失效的原因電池組失效的原因PEMFC電池組在長時間運行中，除

43、了因電催化電池組在長時間運行中，除了因電催化劑中毒與老化，質子交換膜的老化、腐蝕和污劑中毒與老化，質子交換膜的老化、腐蝕和污染，導致其能量轉換效率低于設定值而需要更染，導致其能量轉換效率低于設定值而需要更換外，有時在啟動、停機和運行，特別是當負換外，有時在啟動、停機和運行，特別是當負荷發生大幅度變化時，電池組內某節或某幾節荷發生大幅度變化時，電池組內某節或某幾節電池會失效，甚至可能會發生爆炸，導致整個電池會失效，甚至可能會發生爆炸，導致整個電池組失效。電池組失效。電池組失效的主要原因有下述兩種：電池組失效的主要原因有下述兩種：1.反極導致電池組失效反極導致電池組失效電池組反極：由電池組反極：由

44、n節單電池串聯構成電池組，當電池組節單電池串聯構成電池組，當電池組在一定電流輸出穩定運行時，電池組工作電壓在一定電流輸出穩定運行時，電池組工作電壓V是：是：niiVV1式中，式中，Vi為第為第i節電池的工作電壓。節電池的工作電壓。當電池組在運行時，如果電池組中的某節單電池當電池組在運行時，如果電池組中的某節單電池不能獲得相應于工作電流下化學劑量的燃料供應不能獲得相應于工作電流下化學劑量的燃料供應量時，氧化劑會經電解質遷移到燃料室，以維持量時，氧化劑會經電解質遷移到燃料室，以維持電池組內電流的導通。電池組內電流的導通。如果單電池不能獲得相應于化學劑量的氧化劑供如果單電池不能獲得相應于化學劑量的氧

45、化劑供應量，則為了維持電池組內電流的導通，燃料會應量，則為了維持電池組內電流的導通，燃料會經過電解質遷移到氧化劑室。經過電解質遷移到氧化劑室。一旦發生上述兩種情況的任何一種，均會導致燃一旦發生上述兩種情況的任何一種，均會導致燃料與氧化劑在一個氣室的混合，在電催化劑的作料與氧化劑在一個氣室的混合，在電催化劑的作用下，可能會發生燃燒、爆炸，從而燒毀一節或用下，可能會發生燃燒、爆炸，從而燒毀一節或幾節單電池，進而導致整個電池組的失效。幾節單電池，進而導致整個電池組的失效。當當PEMFC電池組中的某節單電池發生反極時，電池組中的某節單電池發生反極時，電化學反應的變化如下：電化學反應的變化如下：1）當燃

46、料供應不足時，在陽極側：）當燃料供應不足時，在陽極側：正常電化學反應正常電化學反應 反極時的電化學反應反極時的電化學反應222212222OeHOHeHH氫氣供應不足2）氧化劑氧氣供應不足時，在陰極側：）氧化劑氧氣供應不足時，在陰極側： 正常電化學反應正常電化學反應 反極時的電化學反應反極時的電化學反應222222221HeHOHHeO氧氣供應不足時即由燃料電池過程（將化學能轉變為電能）轉變為消耗即由燃料電池過程（將化學能轉變為電能）轉變為消耗電能，將氧由陰極室遷移到陽極室的過程。此時，電池電能，將氧由陰極室遷移到陽極室的過程。此時，電池組輸出的電流不變，但工作電壓變為：組輸出的電流不變，但工

47、作電壓變為：ijVVVnjij1其中，其中，Vi包括：包括：1）陰極氧還原過電位，）陰極氧還原過電位，2）陽極析氧過電位，）陽極析氧過電位，3）歐姆過電位，）歐姆過電位，4）由兩室氧濃度差引起的濃差過電位。）由兩室氧濃度差引起的濃差過電位。1）與）與3）的值和按燃料電池工作時一致，依據電池工）的值和按燃料電池工作時一致，依據電池工作電流密度的大小，在作電流密度的大小，在0.20.5V之間變化。如用電壓之間變化。如用電壓表測量第表測量第i節單電池的電壓節單電池的電壓, 可以發現它從按電池工作可以發現它從按電池工作的正常電壓（如的正常電壓（如0.700.90V）逐漸下降）逐漸下降, 降到降到“0”

48、后后逐漸變負，依據電流密度將可到逐漸變負，依據電流密度將可到-0.5-0.2V。因此，。因此，電池組的總電壓下降電池組的總電壓下降1.21.5V。因發生惰性氣體累積或燃料、氧化劑供應因發生惰性氣體累積或燃料、氧化劑供應不足等導致第不足等導致第i節單電池電壓從正到負的變節單電池電壓從正到負的變化過程稱之為化過程稱之為“反極反極”。如電池組發生反極后仍讓它繼續運行，則如電池組發生反極后仍讓它繼續運行，則第第i節單電池在氫室析出氧氣，經電池組共節單電池在氫室析出氧氣，經電池組共用管道進入其相鄰單電池，導致電池組電用管道進入其相鄰單電池，導致電池組電壓大幅度下降。嚴重時會由于氫氧混合在壓大幅度下降。嚴

49、重時會由于氫氧混合在電池組共用管道或單電池內氣室發生爆炸電池組共用管道或單電池內氣室發生爆炸而破壞電池組。而破壞電池組。在在PEMFC電池系統中發生某及節單電池燃料或氧化電池系統中發生某及節單電池燃料或氧化劑供應不足的原因主要有：劑供應不足的原因主要有：1）供氣系統故障：如氫氣的減壓穩壓器突然失效，）供氣系統故障：如氫氣的減壓穩壓器突然失效，空壓機故障導致供氣量減少或停止工作等。如此時電空壓機故障導致供氣量減少或停止工作等。如此時電池組對外輸出不斷開，電池組內一定會發生某節單電池組對外輸出不斷開，電池組內一定會發生某節單電池首先反極。池首先反極。2）電池排氣系統故障或原料氣純度不匹配：如氫氣）

50、電池排氣系統故障或原料氣純度不匹配：如氫氣排氣電磁閥失靈，導致氫氣長時間無排放，或原設定排氣電磁閥失靈，導致氫氣長時間無排放，或原設定排氣量不適應偶然使用過低濃度的反應氣。這種情況排氣量不適應偶然使用過低濃度的反應氣。這種情況一旦發生，將會引起電池組某節單電池由于惰性氣體一旦發生，將會引起電池組某節單電池由于惰性氣體積累而首先發生反極。積累而首先發生反極。2）電池排氣系統故障或原料氣純度不匹配：）電池排氣系統故障或原料氣純度不匹配：如氫氣排氣電磁閥失靈，導致氫氣長時間無如氫氣排氣電磁閥失靈，導致氫氣長時間無排放，或原設定排氣量不適應偶然使用過低排放，或原設定排氣量不適應偶然使用過低濃度的反應氣。這種情況一旦發生，將會引濃度的反應氣。這種情況一旦發生，將會引起電池組某節單電池由于惰性氣體積累而首起電池組某節單電池由于惰性氣體積累而首先發生反極。先發生反極。3）雙極板流場加工不均勻：）雙極板流場加工不均勻：MEA制備的不均制備的不均勻性、組裝時密封件變形和勻性、組裝時密封件變形和MEA壓深的不均壓深的不均勻性等導致電池組內各單電池阻力分配不均勻。勻性等導致電池組內各單電池阻力分配不均勻。一旦出現阻力過大或過小的電池，在電池組高一旦出現阻力過大或過小的電池，在電池組高功率運行或過載時，阻力過大的單電池可能會功率運行或過載時，阻力過大的單電池可能會出