質(zhì)子交換膜燃料電池膜內(nèi)水傳遞研究.pdf

1、燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電裝置，它的最大特點是不經(jīng)過熱機過程，因此，不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，而且環(huán)境污染小，噪聲低，被公認(rèn)為是21世紀(jì)首選的清潔、高效的發(fā)電技術(shù)。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于具有工作溫度較低、起動時間短、功率密度高等特點，作為新一代電動汽車動力源、便攜式小型電源、家庭用熱電聯(lián)供系統(tǒng)等受到各國政府和能源、汽車、家電等企業(yè)的廣泛關(guān)注、高度重視及大力支持。

2、 質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的關(guān)鍵材料之一，其性能直接影響著電池的性能。目前，PEMFC普遍采用固體聚合物電解質(zhì)膜，質(zhì)子在膜中以水合質(zhì)子的形式從陽極傳導(dǎo)到陰極，水在膜中作為質(zhì)子傳導(dǎo)的載體。同一種聚合物膜的含水量越高，膜內(nèi)質(zhì)子傳導(dǎo)速率就越快，膜的電導(dǎo)率越大。對PEMFC而言，保持質(zhì)子交換膜充足的水含量十分重要。 通常質(zhì)子交換膜厚度只有幾十微米，燃料電池質(zhì)子交換膜中水含量的分布情況的測試非常困難，在目前的水

3、管理研究中，主要采取建模模擬的方法，對質(zhì)子交換膜中的水傳遞規(guī)律進(jìn)行理論研究，T.E.Spfinger等在擴散模型的基礎(chǔ)上建立了模型并根據(jù)實驗測試結(jié)果，對膜含水量與水的活度關(guān)系進(jìn)行了擬合，所得到的電滲系數(shù)和擴散系數(shù)的函數(shù)關(guān)系被許多學(xué)者采用。 本論文根據(jù)Springer水傳遞模型理論分析了膜兩側(cè)的壓力差、濕度差以及膜中的電流密度等操作條件對膜中水含量、水分布的影響，并從實驗上進(jìn)行測試。實驗測試采用疊加質(zhì)子交換膜來增加厚度和便于分開秤

4、重的方法，克服了質(zhì)子交換膜厚度較小，不易測量的困難，直接獲得膜兩側(cè)壓力差、濕度差和膜中電流存在下質(zhì)子交換膜中水含量分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)： (1)電池電流為零，且不與外界發(fā)生水熱交換，膜兩側(cè)只有壓力差存在時，膜中水含量在膜厚度方向上基本均勻，只有在壓力低的一側(cè)水含量稍高，且隨著膜兩側(cè)壓力差的增大，膜中水含量變化不大。而模型分析結(jié)果顯示，沿膜厚度方向，從壓力低側(cè)向壓力高的一側(cè)，膜中水含量按指數(shù)規(guī)律衰減，且壓力差越高，質(zhì)子交換膜膜壓力高

5、的一側(cè)水含量衰減越嚴(yán)重，即此測試結(jié)果與模型分析結(jié)果不同。分析其原因，認(rèn)為主要是，膜兩側(cè)受壓時，壓力不是均勻分布在膜內(nèi)，而是作用在膜表面。 (2)膜兩側(cè)壓力差為零，與外界不發(fā)生水熱交換，電流為Ⅰ時，膜中水含量在膜厚度方向上分布基本均勻，且電流密度的升高對膜中水含量分布影響劇烈。而理論分析結(jié)果為膜中水含量沿膜厚度方向按指數(shù)規(guī)律衰減，且電流密度越大，膜中水含量衰減越嚴(yán)重。此實驗結(jié)果與理論分析不完全一致，認(rèn)為其原因是膜中毛細(xì)孔力的作用。