PEMFC——燃料電池課件

1、質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池 工作原理工作原理 質(zhì)子交換膜型燃料電池質(zhì)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(zhì)，鉑聚合物為電解質(zhì)，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(dòng)通道的石墨或表面改性的金屬板為帶有氣體流動(dòng)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(gòu)成由圖可知，構(gòu)成PEMFC的關(guān)鍵材料與部件的關(guān)

2、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(zhì)子交換、質(zhì)子交換膜和雙極板。膜和雙極板。PEMFC中的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電中的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)應(yīng):該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極，氫離子則經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極經(jīng)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水。生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過發(fā)生反應(yīng)生成水。生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過電極隨反應(yīng)尾氣排出。電極隨反

3、應(yīng)尾氣排出。eHH222OHeHO222221OHOH22221總的反應(yīng)總的反應(yīng)：陽極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)陰極反應(yīng)：發(fā)展簡(jiǎn)史發(fā)展簡(jiǎn)史20世紀(jì)世紀(jì)60年代，美國(guó)首先將年代，美國(guó)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(dāng)時(shí)采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在電天飛行。該電池當(dāng)時(shí)采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在電池工作過程中該膜發(fā)生降解。膜的降解不但導(dǎo)致電池池工作過程中該膜發(fā)生降解。膜的降解不但導(dǎo)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全

4、氟磺酸膜，延長(zhǎng)了電池壽命，解決了電池生成水被污染的問膜，延長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行了搭載實(shí)驗(yàn)。題，并用小電池在生物實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行了搭載實(shí)驗(yàn)。但在美國(guó)航天飛機(jī)用電源的競(jìng)爭(zhēng)中未能中標(biāo)，讓位于但在美國(guó)航天飛機(jī)用電源的競(jìng)爭(zhēng)中未能中標(biāo)，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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于低谷。究長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于低谷。1983年，加拿大國(guó)防部資助了巴拉德動(dòng)力公司進(jìn)行年，加拿大國(guó)防部資助了巴拉德動(dòng)力公司進(jìn)行PEMFC的研究。在加拿大、美國(guó)等國(guó)科學(xué)家的共的研究。在加拿大、美國(guó)等國(guó)科學(xué)家的共同努力下，同努力下，

5、FEMFC取得了突破性進(jìn)展。取得了突破性進(jìn)展。采用薄的采用薄的(50-150 m)高電導(dǎo)率的高電導(dǎo)率的Nafion和和Dow全氟全氟磺酸膜，使電池性能提高數(shù)倍?；撬崮?，使電池性能提高數(shù)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(shí)現(xiàn)了電極的立體化并將中加入全氟磺酸樹脂，實(shí)現(xiàn)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池

6、的接觸電阻，并在電極內(nèi)建立起質(zhì)子通道，擴(kuò)展了電極反應(yīng)的三相界面，內(nèi)建立起質(zhì)子通道，擴(kuò)展了電極反應(yīng)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(dān)量降至低于而且使電極的鉑擔(dān)量降至低于0.5mg/cm2，電池輸，電池輸出功率密度高達(dá)出功率密度高達(dá)0.5-2w/cm2，電池組的質(zhì)量比功，電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率分別達(dá)到率和體積比功率分別達(dá)到700w/kg和和1000w/L。三三. 特點(diǎn)與用途特點(diǎn)與用途除了具有除了具有FC的一般優(yōu)點(diǎn)外，的一般優(yōu)點(diǎn)外，PEMFC還具有：還具有： 室溫下快速啟動(dòng)室溫下快速啟動(dòng) 無電解質(zhì)液流失無電解質(zhì)

7、液流失 比功率和比能量高比功率和比能量高 壽命長(zhǎng)。壽命長(zhǎng)?？捎糜诜稚㈦娬?，移動(dòng)電源，是電動(dòng)車、移動(dòng)通可用于分散電站，移動(dòng)電源，是電動(dòng)車、移動(dòng)通訊和潛艇等的理想電源，也是最佳的家庭動(dòng)力源。訊和潛艇等的理想電源，也是最佳的家庭動(dòng)力源。四四. 電極電極PEMFC的電極均為氣體擴(kuò)散電極。它至少有兩層的電極均為氣體擴(kuò)散電極。它至少有兩層構(gòu)成：起支撐作用的擴(kuò)散層和為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行構(gòu)成：起支撐作用的擴(kuò)散層和為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的催化層。的催化層。催化層催化層擴(kuò)散層擴(kuò)散層電極結(jié)構(gòu)示意圖電極結(jié)構(gòu)示意圖（一）擴(kuò)散層（一）擴(kuò)散層功能：功能：1）起支撐作用，為此要求擴(kuò)散層適于擔(dān)載催化層，擴(kuò)）起支撐作用，為此要求擴(kuò)散層適于

8、擔(dān)載催化層，擴(kuò)散層與催化層的接觸電阻要??；催化層主要成分是散層與催化層的接觸電阻要??；催化層主要成分是Pt/C電催化劑，故擴(kuò)散層一般選炭材制備；電催化劑，故擴(kuò)散層一般選炭材制備；2）反應(yīng)氣需經(jīng)擴(kuò)散層才能到達(dá)催化層參與電化學(xué)反應(yīng)，）反應(yīng)氣需經(jīng)擴(kuò)散層才能到達(dá)催化層參與電化學(xué)反應(yīng)，因此擴(kuò)散層應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，有利于因此擴(kuò)散層應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，有利于傳質(zhì)。傳質(zhì)。 （3）陽極擴(kuò)散層收集燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生的電）陽極擴(kuò)散層收集燃料的電化學(xué)氧化產(chǎn)生的電流，陰極擴(kuò)散層為氧的電化學(xué)還原反應(yīng)輸送電子，流，陰極擴(kuò)散層為氧的電化學(xué)還原反應(yīng)輸送電子，即擴(kuò)散層應(yīng)是電的良導(dǎo)體。因?yàn)榧磾U(kuò)散層應(yīng)是電的良

9、導(dǎo)體。因?yàn)镕EMFC工作電流工作電流密度高達(dá)密度高達(dá)1A/cm2，擴(kuò)散層的電阻應(yīng)在，擴(kuò)散層的電阻應(yīng)在m .cm2的數(shù)的數(shù)量級(jí)。量級(jí)。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(kuò)散層尤其是氧電極的擴(kuò)散層應(yīng)是熱的良極，因此擴(kuò)散層尤其是氧電極的擴(kuò)散層應(yīng)是熱的良導(dǎo)體。導(dǎo)體。5）擴(kuò)散層材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)能在）擴(kuò)散層材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)能在PEMFC工作條件下保工作條件下保持持?jǐn)U散層的上述功能采用石墨化的炭紙或炭布是擴(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，但是可以達(dá)到的，但是PEMFC擴(kuò)散層要同時(shí)滿足擴(kuò)散層要同時(shí)滿足反應(yīng)氣與產(chǎn)物水的傳遞，并具有高的極限電流，反應(yīng)氣

10、與產(chǎn)物水的傳遞，并具有高的極限電流，則是擴(kuò)散層制備過程中最難的技術(shù)問題。則是擴(kuò)散層制備過程中最難的技術(shù)問題。（二）質(zhì)子交換膜（二）質(zhì)子交換膜它是它是PEMFC的最關(guān)鍵部件之一，直接影響電池的性的最關(guān)鍵部件之一，直接影響電池的性能與壽命。質(zhì)子交換膜應(yīng)滿足的要求：能與壽命。質(zhì)子交換膜應(yīng)滿足的要求：1）高的）高的H+離子傳導(dǎo)能力；離子傳導(dǎo)能力；2）在）在FC運(yùn)行條件下，膜結(jié)構(gòu)與樹脂組成保持不運(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；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）具有低的反應(yīng)氣體滲透性，保證FC具有高的法具有高的法 拉第效率；拉第效

11、率；4）具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。）具有一定的機(jī)械強(qiáng)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(zhì) 子 交 換 膜 ， 即型 質(zhì) 子 交 換 膜 ， 即 N a f i o n 膜 ， 售 價(jià) 高 達(dá)膜 ， 售 價(jià) 高 達(dá)$500800/m2。因此，開發(fā)性能優(yōu)良的交換膜是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)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。之一。全氟磺酸型質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子必須要有水存在全氟磺酸型質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子必須要有水存在才行，其傳導(dǎo)率與膜的含水率呈線性關(guān)系。才行，其傳導(dǎo)率與膜的含水率呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)相對(duì)濕度小于實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)相對(duì)濕度小于35%時(shí)，膜

12、電導(dǎo)顯著時(shí)，膜電導(dǎo)顯著下降，而在相對(duì)濕度小于下降，而在相對(duì)濕度小于15%時(shí)，時(shí)，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(jī)方式組裝。由圖可知，雙電池組一般按壓濾機(jī)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(shí)現(xiàn)單池之間的電的聯(lián)結(jié)，因此，它必須由導(dǎo)電良實(shí)現(xiàn)單池之間的電的聯(lián)結(jié)，因此，它必須由導(dǎo)電良好的材料構(gòu)成。好的材料構(gòu)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(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，

13、并由流場(chǎng)均勻分配到電極各處。池，并由流場(chǎng)均勻分配到電極各處。 因?yàn)殡p極板兩側(cè)的流場(chǎng)分別是氧化劑與燃料通道，因?yàn)殡p極板兩側(cè)的流場(chǎng)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(gòu)成的復(fù)合雙所以雙極板必須是無孔的；由幾種材料構(gòu)成的復(fù)合雙極扳，至少其中之一是無孔的，實(shí)現(xiàn)氧化劑與燃料的極扳，至少其中之一是無孔的，實(shí)現(xiàn)氧化劑與燃料的分隔。分隔。構(gòu)成雙極板的材料必須在陽極運(yùn)行條件下構(gòu)成雙極板的材料必須在陽極運(yùn)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(dá)到電池組的抗腐蝕，以達(dá)到電池組的壽命要求，一般為幾千小時(shí)至幾萬小時(shí)。壽命要求，一般為幾千小時(shí)至幾萬小時(shí)

14、。因?yàn)橐驗(yàn)镻EMFC電池組效率一般在電池組效率一般在50左右，雙權(quán)板材左右，雙權(quán)板材料必須是熱的良導(dǎo)體，以利于電池組廢熱的排出。料必須是熱的良導(dǎo)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(chǎng)如加工流場(chǎng))，最優(yōu)的材料是適于用批量生產(chǎn)工，最優(yōu)的材料是適于用批量生產(chǎn)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(jī)加機(jī)加工共用通道工共用通道, 利用電利用電腦刻繪機(jī)在其表面上腦

15、刻繪機(jī)在其表面上加工流場(chǎng)。這種工藝加工流場(chǎng)。這種工藝費(fèi)時(shí)，價(jià)高，不易批費(fèi)時(shí)，價(jià)高，不易批量生產(chǎn)。量生產(chǎn)。采用蛇形流場(chǎng)的采用蛇形流場(chǎng)的石墨雙極板圖石墨雙極板圖雙板板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖雙板板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖2.模鑄雙極板模鑄雙極板:為降低成本和批量生產(chǎn)，在為降低成本和批量生產(chǎn)，在DOE資助下，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。方法是將等發(fā)展了采用模鑄法制備帶流場(chǎng)的雙極板。方法是將石墨粉和熱塑性樹脂均勻混合，有時(shí)需加入催化劑等，石墨粉和熱塑性樹脂均勻混合，有時(shí)需加入催化劑等，在一定溫度下沖壓成型，壓力高達(dá)幾在一定溫度下沖壓成型，壓力高達(dá)幾MPa或幾十或幾十MPa。該技術(shù)尚在

16、發(fā)展之中。該技術(shù)尚在發(fā)展之中。采用這種模鑄法制備雙極板，由于樹脂未實(shí)現(xiàn)石墨化，采用這種模鑄法制備雙極板，由于樹脂未實(shí)現(xiàn)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(kuò)散層的接觸電阻也比純石墨大。但改進(jìn)聯(lián)合樹電極擴(kuò)散層的接觸電阻也比純石墨大。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(yōu)點(diǎn)是可批量生產(chǎn)，如采用薄金屬板制備雙極板的優(yōu)點(diǎn)是可批量生產(chǎn)，如采用沖壓技術(shù)制備各種結(jié)構(gòu)的雙極板。用沖壓技術(shù)制備各種結(jié)構(gòu)

17、的雙極板。這是目前世界各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)之一。這是目前世界各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)之一。其難點(diǎn)：在其難點(diǎn)：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(zhì)下的穩(wěn)定化，還原，一定的電位和弱酸性電解質(zhì)下的穩(wěn)定性）；與擴(kuò)散層（碳紙）的接觸電阻大。性）；與擴(kuò)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(fù)合雙極板：復(fù)合雙極板：采用廉價(jià)的多孔石墨板制備流場(chǎng)。由于這層多孔石采用廉價(jià)的多孔石墨板制備流場(chǎng)。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，墨流場(chǎng)板在電池工作時(shí)充滿

18、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 板也 阻 止 反 應(yīng) 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(fù)合雙極板技術(shù)的關(guān)鍵是盡量減少多孔石墨流這種復(fù)合雙極板技術(shù)的關(guān)鍵是盡量減少多孔石墨流場(chǎng)板與薄金屬分隔板間的接觸電阻。場(chǎng)板與薄金屬分隔板間的接觸電阻。（四）流場(chǎng)：作用是引導(dǎo)反應(yīng)氣流動(dòng)方向，確保反（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)。與電化學(xué)反應(yīng)。流場(chǎng)主要有：網(wǎng)狀，

19、多孔，平行溝槽，蛇形和交指流場(chǎng)主要有：網(wǎng)狀，多孔，平行溝槽，蛇形和交指狀等。狀等。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)。有技術(shù)。平行溝槽流場(chǎng)交指狀流場(chǎng)交指狀流場(chǎng)多孔型流場(chǎng)多孔型流場(chǎng)網(wǎng)狀流場(chǎng)網(wǎng)狀流場(chǎng)單通道蛇形流場(chǎng)單通道蛇形流場(chǎng)多通道蛇形流場(chǎng)多通道蛇形流場(chǎng)至今至今PEMFC廣泛采用的流場(chǎng)以平行溝槽流場(chǎng)和廣泛采用的流場(chǎng)以平行溝槽流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)為主；蛇形流場(chǎng)為主；對(duì)于平行溝槽流場(chǎng)可用改變溝與脊的寬度比和平對(duì)于平行溝槽流場(chǎng)可用改變溝與脊的寬度比和平行溝槽的長(zhǎng)度來改變流經(jīng)流場(chǎng)溝槽反應(yīng)氣的線速行溝槽的長(zhǎng)度來改變流經(jīng)流場(chǎng)溝槽反應(yīng)氣的線速度，將液態(tài)水排出

20、電池。度，將液態(tài)水排出電池。對(duì)蛇形流場(chǎng)可用改變溝與脊的寬度比、通道的多對(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)度來調(diào)整反應(yīng)氣在流場(chǎng)中流動(dòng)少和蛇形溝槽總長(zhǎng)度來調(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。線速度，確保將液態(tài)水排出電池。交指狀流場(chǎng)是一種正在開發(fā)的新型流場(chǎng)。它的優(yōu)交指狀流場(chǎng)是一種正在開發(fā)的新型流場(chǎng)。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。傳質(zhì)能力，同時(shí)將擴(kuò)散層內(nèi)水及時(shí)排出。但這種流場(chǎng)在確保反應(yīng)氣在電極各處的均勻分配但這種流場(chǎng)在確保反應(yīng)氣在電極各處的均勻分配與控制反應(yīng)氣流經(jīng)流場(chǎng)

21、的壓力降方面均需深入研與控制反應(yīng)氣流經(jīng)流場(chǎng)的壓力降方面均需深入研究，并與相應(yīng)工藝開發(fā)相配合。究，并與相應(yīng)工藝開發(fā)相配合。上述各種流場(chǎng)的脊部分靠電池組裝力與電極上述各種流場(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道，一般溝槽部分面積與脊部分面積之比為流場(chǎng)的流場(chǎng)的開孔率開孔率。這一開孔率過高，不但降低反應(yīng)氣流經(jīng)流場(chǎng)這一開孔率過高，不但降低反應(yīng)氣流經(jīng)流場(chǎng)的線速度，而且減少了與電極擴(kuò)散層的接觸的線速度，而且減少了與電極擴(kuò)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(dǎo)致脊部分反

22、應(yīng)氣擴(kuò)散開孔率降得過低，將導(dǎo)致脊部分反應(yīng)氣擴(kuò)散進(jìn)入路徑過長(zhǎng)，增加了傳質(zhì)阻力，導(dǎo)致濃差進(jìn)入路徑過長(zhǎng)，增加了傳質(zhì)阻力，導(dǎo)致濃差極化的增大。一般而言，各種流場(chǎng)的開孔率極化的增大。一般而言，各種流場(chǎng)的開孔率控制在控制在40一一50之間。之間。對(duì)蛇形與平行溝槽流場(chǎng)溝槽的寬度與脊的寬對(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(yīng)在左右，因此脊的寬度應(yīng)在1-2mm之間。之間。溝槽的深度應(yīng)由溝槽總長(zhǎng)度和允許的反應(yīng)氣溝槽的深度應(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)控制在流經(jīng)流場(chǎng)的總壓降決

23、定，一般應(yīng)控制在0.5-1.0mm之間。之間。（五）單電池：它是構(gòu)成電池組的基本單元，電池組五）單電池：它是構(gòu)成電池組的基本單元，電池組的設(shè)計(jì)要以單電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。各種關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)要以單電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。各種關(guān)鍵材料的性能與壽命最終要通過單電池實(shí)驗(yàn)的考核。的性能與壽命最終要通過單電池實(shí)驗(yàn)的考核。1.膜電極膜電極“三合一三合一”組件組件 (membrane electrode assembly)對(duì)于對(duì)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(zhì)子導(dǎo)體也無而且質(zhì)子導(dǎo)體也無法進(jìn)入

24、多孔氣體電極的內(nèi)部。為了實(shí)現(xiàn)電極的立體化，法進(jìn)入多孔氣體電極的內(nèi)部。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(yīng)，雙極板及相應(yīng) 可兼作電流導(dǎo)出可兼作電流導(dǎo)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(dǎo)入板，為電池組的負(fù)極，與這兩塊導(dǎo)流板相鄰電流導(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。在它上面除布有反應(yīng)的是電池組端板，也稱為夾板。在它上面除布有反應(yīng)氣與冷卻液進(jìn)出通道外，周圍還布置有一定數(shù)目的圓氣與冷卻液進(jìn)出通道外，周圍還布置有一定數(shù)目的圓孔，在組裝電池時(shí)，圓孔內(nèi)穿入螺桿，給電池組施加孔，在組裝電池時(shí)，圓孔內(nèi)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(dǎo)流板與端板之間加入由工程塑

26、料制備的絕緣還需在導(dǎo)流板與端板之間加入由工程塑料制備的絕緣板。板。電池組結(jié)構(gòu)示意圖電池組結(jié)構(gòu)示意圖電池組設(shè)計(jì)原則：電池組設(shè)計(jì)原則：效率和比功率分別是電池組在標(biāo)定功率下運(yùn)行時(shí)的能效率和比功率分別是電池組在標(biāo)定功率下運(yùn)行時(shí)的能量轉(zhuǎn)化效率和在標(biāo)定功率下運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量比功率和體量轉(zhuǎn)化效率和在標(biāo)定功率下運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量比功率和體積比功率。積比功率。1）對(duì)于民用發(fā)電（分散電源或家庭電源），能量轉(zhuǎn)化）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。故依據(jù)用戶對(duì)電池組工作電壓的要求確定串聯(lián)次之。故依據(jù)用戶對(duì)電池組工作電壓的

27、要求確定串聯(lián)的單電池?cái)?shù)目時(shí)，一般選取單電池電壓為的單電池?cái)?shù)目時(shí)，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(shí)，電池組的效率可達(dá)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)。再依據(jù)單電池的實(shí)驗(yàn)。再依據(jù)單電池的實(shí)驗(yàn)V-A特性曲線，特性曲線，確定電池組工作電流密度，進(jìn)而依據(jù)用戶對(duì)電池組標(biāo)確定電池組工作電流密度，進(jìn)而依據(jù)用戶對(duì)電池組標(biāo)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(shí)，還應(yīng)考慮電池系統(tǒng)的內(nèi)耗。時(shí)，還應(yīng)考慮電池系統(tǒng)的內(nèi)耗。2）對(duì)于電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)用的）對(duì)于電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)用的PEMFC和各種移動(dòng)動(dòng)力和各種移動(dòng)動(dòng)力

28、源，則對(duì)電池組的質(zhì)量比功率和體積比功率的要求源，則對(duì)電池組的質(zhì)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(zhì)量比功率和體積比功率，在電池為提高電池組的質(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電流密度，此時(shí)一般選取單電池工作電壓為0.600.65V，再依據(jù)用戶對(duì)電池工作電壓的要求確，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)定單電池?cái)?shù)目，進(jìn)而依據(jù)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(chǎng)結(jié)夠?qū)α鲌?chǎng)結(jié)夠?qū)EMFC電池組至關(guān)重要，而且與

29、反應(yīng)電池組至關(guān)重要，而且與反應(yīng)氣純度、電池系統(tǒng)的流程密切相關(guān)。氣純度、電池系統(tǒng)的流程密切相關(guān)。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)（如有無尾氣回流，如有，反應(yīng)氣純度、流程設(shè)計(jì)（如有無尾氣回流，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)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。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。電池組密封電池組密封：要求是按照設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)，在電池組組裝力的要求是按照設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)，在電池組組裝力的作用下，達(dá)到反應(yīng)氣、冷卻液不外漏，燃料、氧作

30、用下，達(dá)到反應(yīng)氣、冷卻液不外漏，燃料、氧化劑和冷卻液不互竄?；瘎┖屠鋮s液不互竄。3電池組的水管理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。因素之一。PEMFC的工作溫度低于的工作溫度低于100，電池內(nèi)生，電池內(nèi)生成的水是以液態(tài)形式存在，一般是采用適宜的流場(chǎng)，成的水是以液態(tài)形式存在，一般是采用適宜的流場(chǎng)，確保反應(yīng)氣在流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)線速度達(dá)到一定值（如幾米確保反應(yīng)氣在流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)線速度達(dá)到一定值（如幾米每秒以上），依靠反應(yīng)氣吹掃出電池反應(yīng)生

31、成的水。每秒以上），依靠反應(yīng)氣吹掃出電池反應(yīng)生成的水。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。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(tài)水形式排出。這樣不但能增加氧陰極氣體擴(kuò)上以氣態(tài)水形式排出。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。的熱負(fù)荷。質(zhì)子交換膜內(nèi)的水傳遞過程有三種傳遞方式：質(zhì)子交換膜內(nèi)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(cè)向陰

32、一起，由膜的陽極側(cè)向陰極側(cè)遷移。電遷移的水量與電池工作電流密度和質(zhì)極側(cè)遷移。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)。子的水合數(shù)有關(guān)。2）濃差反擴(kuò)散：因?yàn)椋獠罘磾U(kuò)散：因?yàn)镻EMFC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(cè)水濃度高于陽極側(cè)，在陰極生成，因此，膜陰極側(cè)水濃度高于陽極側(cè)，在水濃差的作用下，水由膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)反擴(kuò)在水濃差的作用下，水由膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)反擴(kuò)散。反擴(kuò)散遷移的水量與水的濃度梯度和水在質(zhì)子散。反擴(kuò)散遷移的水量與水的濃度梯度和水在質(zhì)子交換膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)成正比。交換膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)成正比。3）壓力遷移：在）壓力遷移：在PEMFC的運(yùn)行過程中，一般

33、的運(yùn)行過程中，一般使氧化劑壓力高于還原劑的壓力，在反應(yīng)氣壓使氧化劑壓力高于還原劑的壓力，在反應(yīng)氣壓力梯度作用下，水由膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)傳遞，力梯度作用下，水由膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)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(shù)成正比，而與水在膜中的粘在膜中的滲透系數(shù)成正比，而與水在膜中的粘度成反比。度成反比。水在質(zhì)子交換膜內(nèi)的遷移過程可用水在質(zhì)子交換膜內(nèi)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

34、電遷移系數(shù)，水在膜中的擴(kuò)散系數(shù)，水在膜中的滲透系數(shù)，系數(shù)，水在膜中的擴(kuò)散系數(shù)，水在膜中的滲透系數(shù)，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(shù)，和膜兩側(cè)的壓力。第常數(shù)，和膜兩側(cè)的壓力。由上式可知：由上式可知：1）陰極側(cè)的壓力高于陽極側(cè)的壓力，有利于水從）陰極側(cè)的壓力高于陽極側(cè)的壓力，有利于水從膜的陰極向陽極側(cè)的傳遞。但壓力差受電池結(jié)構(gòu)的膜的陰極向陽極側(cè)的傳遞。但壓力差受電池結(jié)構(gòu)的限制和空壓機(jī)功耗的制約。限制和空壓機(jī)功耗的制約。2）膜越薄越有利于水由膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)的反）膜越薄越有利于水由膜的陰極側(cè)向陽極側(cè)的反擴(kuò)散，有利于用電池反應(yīng)生成的水潤(rùn)濕

35、膜的陽極。擴(kuò)散，有利于用電池反應(yīng)生成的水潤(rùn)濕膜的陽極。3）當(dāng)電池在低電流下工作時(shí)，由于膜內(nèi)的遷移質(zhì)）當(dāng)電池在低電流下工作時(shí)，由于膜內(nèi)的遷移質(zhì)子少，隨質(zhì)子電遷移的水也少，有利于膜內(nèi)水濃度子少，隨質(zhì)子電遷移的水也少，有利于膜內(nèi)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(xué)反應(yīng)生成的水，電化學(xué)反應(yīng)生成的水為液態(tài)。生成的水可以兩種方式排出：氣態(tài)或液態(tài)。為液態(tài)。生成的水可以兩種方式排出：氣態(tài)或液態(tài)。當(dāng)反應(yīng)氣為達(dá)到當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)溫度下水蒸氣分壓力時(shí)，當(dāng)反應(yīng)氣為達(dá)到當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)溫度下水蒸氣分壓力時(shí)，水可汽化，并隨電池排放的尾氣排出電池；當(dāng)反應(yīng)水可汽化，并隨電池排

36、放的尾氣排出電池；當(dāng)反應(yīng)氣的相對(duì)濕度超過當(dāng)?shù)販囟葘?duì)應(yīng)的飽和水蒸氣濕度氣的相對(duì)濕度超過當(dāng)?shù)販囟葘?duì)應(yīng)的飽和水蒸氣濕度時(shí)，電池生成的水以液態(tài)形式存在。液相水主要是時(shí)，電池生成的水以液態(tài)形式存在。液相水主要是在毛細(xì)力和壓差作用下，傳遞到擴(kuò)散層的氣相側(cè)，在毛細(xì)力和壓差作用下，傳遞到擴(kuò)散層的氣相側(cè)，由反應(yīng)氣吹掃出電池。由反應(yīng)氣吹掃出電池。一般，兩種排水方式在電池中同時(shí)存在。其比例與一般，兩種排水方式在電池中同時(shí)存在。其比例與電池的工作條件和燃料與氧化劑的狀態(tài)等有關(guān)。電池的工作條件和燃料與氧化劑的狀態(tài)等有關(guān)。水的蒸發(fā)與凝結(jié)是一個(gè)典型的相變過程，并有相水的蒸發(fā)與凝結(jié)是一個(gè)典型的相變過程，并有相變熱的吸收或放出

37、。當(dāng)電池中產(chǎn)生液相水時(shí)，電變熱的吸收或放出。當(dāng)電池中產(chǎn)生液相水時(shí)，電池中的流動(dòng)是兩相流動(dòng)。由于電池本身的結(jié)構(gòu)特池中的流動(dòng)是兩相流動(dòng)。由于電池本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相對(duì)于氣相水而言，液相水的排出會(huì)更加困點(diǎn)，相對(duì)于氣相水而言，液相水的排出會(huì)更加困難。而當(dāng)電池在高電流密度下運(yùn)行時(shí)，兩相流的難。而當(dāng)電池在高電流密度下運(yùn)行時(shí)，兩相流的發(fā)生是不可避免的。發(fā)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(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵而困難程研究已成為該類電池發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵而困難的研究課題，已受到國(guó)內(nèi)外的高度重視。的研究課題，已受到國(guó)內(nèi)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,Ai

39、rspargertemperature: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(chǎn)生的產(chǎn)生的廢熱排出。廢熱排出。目前對(duì)目前對(duì)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(huán)排熱法。冷卻液是純水或水與乙二醇的卻液循環(huán)排熱法。冷卻液是純水或水與乙二醇的混合液。混合液。對(duì)于小功率的對(duì)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(fā)展采用液體（如乙醇）蒸發(fā)排熱方法。正在發(fā)展采用液體（如乙醇）蒸發(fā)排熱方法。在電池組排熱設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)電池組的排熱負(fù)荷，在電池組排熱設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)

40、電池組的排熱負(fù)荷，在確定的電池組循環(huán)冷卻液進(jìn)出口最大壓差的前提在確定的電池組循環(huán)冷卻液進(jìn)出口最大壓差的前提下，依據(jù)冷卻液的比熱容計(jì)算其流量。下，依據(jù)冷卻液的比熱容計(jì)算其流量。為確保電池組溫度分布的均勻性，冷卻液進(jìn)出口最為確保電池組溫度分布的均勻性，冷卻液進(jìn)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(yīng)盡量減少水流量比較大，為減少冷卻水泵功耗，應(yīng)盡量減少冷卻液流經(jīng)電池組的壓力降。冷卻液流經(jīng)電池組的壓力降。在冷卻通道的設(shè)計(jì)中要考慮流動(dòng)阻力的因素。在冷卻通道的設(shè)計(jì)中要考慮流動(dòng)阻力的因素。當(dāng)以水為冷卻液時(shí)，應(yīng)采用去離子水

41、，對(duì)水的當(dāng)以水為冷卻液時(shí)，應(yīng)采用去離子水，對(duì)水的電導(dǎo)要求很嚴(yán)格。電導(dǎo)要求很嚴(yán)格。一旦水被污染，電導(dǎo)升高，則在電池組的冷卻一旦水被污染，電導(dǎo)升高，則在電池組的冷卻水流經(jīng)的共用管道內(nèi)要發(fā)生輕微的電解，產(chǎn)生水流經(jīng)的共用管道內(nèi)要發(fā)生輕微的電解，產(chǎn)生氫氧混合氣體，影響電池的安全運(yùn)行，同時(shí)也氫氧混合氣體，影響電池的安全運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)漏電，降低電池組的能量轉(zhuǎn)化會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)漏電，降低電池組的能量轉(zhuǎn)化效率。效率。當(dāng)用水和乙二醇混合液作為冷卻劑時(shí)，冷卻劑的電當(dāng)用水和乙二醇混合液作為冷卻劑時(shí)，冷卻劑的電阻將增大。由于冷卻劑的比熱容降低，循環(huán)量要增阻將增大。由于冷卻劑的比熱容降低，循環(huán)量要增大，而且一旦

42、冷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?yàn)樗械奈廴窘饘匐x子可通過純水難度大得多，因?yàn)樗械奈廴窘饘匐x子可通過離子交換法去除。離子交換法去除?？諝饫鋮s：對(duì)千瓦級(jí)尤其是百瓦級(jí)空氣冷卻：對(duì)千瓦級(jí)尤其是百瓦級(jí)PEMFC電池組，電池組，可以采用空氣冷卻來排除電池組產(chǎn)生的廢熱?？梢圆捎每諝饫鋮s來排除電池組產(chǎn)生的廢熱。排熱板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖排熱板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖常壓空氣冷卻的雙極板結(jié)構(gòu)示意常壓空氣冷卻的雙極板結(jié)構(gòu)示意各種極化的比較各種極化的比較圖圖 O2壓力對(duì)電池性能的影響壓力對(duì)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，

43、除了因電催化電池組在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，除了因電催化劑中毒與老化，質(zhì)子交換膜的老化、腐蝕和污劑中毒與老化，質(zhì)子交換膜的老化、腐蝕和污染，導(dǎo)致其能量轉(zhuǎn)換效率低于設(shè)定值而需要更染，導(dǎo)致其能量轉(zhuǎn)換效率低于設(shè)定值而需要更換外，有時(shí)在啟動(dòng)、停機(jī)和運(yùn)行，特別是當(dāng)負(fù)換外，有時(shí)在啟動(dòng)、停機(jī)和運(yùn)行，特別是當(dāng)負(fù)荷發(fā)生大幅度變化時(shí)，電池組內(nèi)某節(jié)或某幾節(jié)荷發(fā)生大幅度變化時(shí)，電池組內(nèi)某節(jié)或某幾節(jié)電池會(huì)失效，甚至可能會(huì)發(fā)生爆炸，導(dǎo)致整個(gè)電池會(huì)失效，甚至可能會(huì)發(fā)生爆炸，導(dǎo)致整個(gè)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(dǎo)致電池組失效反極導(dǎo)致電池組失效電池組反極：由電池組反極：

44、由n節(jié)單電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，當(dāng)電池組節(jié)單電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，當(dāng)電池組在一定電流輸出穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電池組工作電壓在一定電流輸出穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電池組工作電壓V是：是：niiVV1式中，式中，Vi為第為第i節(jié)電池的工作電壓。節(jié)電池的工作電壓。當(dāng)電池組在運(yùn)行時(shí)，如果電池組中的某節(jié)單電池當(dāng)電池組在運(yùn)行時(shí)，如果電池組中的某節(jié)單電池不能獲得相應(yīng)于工作電流下化學(xué)劑量的燃料供應(yīng)不能獲得相應(yīng)于工作電流下化學(xué)劑量的燃料供應(yīng)量時(shí)，氧化劑會(huì)經(jīng)電解質(zhì)遷移到燃料室，以維持量時(shí)，氧化劑會(huì)經(jīng)電解質(zhì)遷移到燃料室，以維持電池組內(nèi)電流的導(dǎo)通。電池組內(nèi)電流的導(dǎo)通。如果單電池不能獲得相應(yīng)于化學(xué)劑量的氧化劑供如果單電池不能獲得相應(yīng)于化學(xué)劑量的

45、氧化劑供應(yīng)量，則為了維持電池組內(nèi)電流的導(dǎo)通，燃料會(huì)應(yīng)量，則為了維持電池組內(nèi)電流的導(dǎo)通，燃料會(huì)經(jīng)過電解質(zhì)遷移到氧化劑室。經(jīng)過電解質(zhì)遷移到氧化劑室。一旦發(fā)生上述兩種情況的任何一種，均會(huì)導(dǎo)致燃一旦發(fā)生上述兩種情況的任何一種，均會(huì)導(dǎo)致燃料與氧化劑在一個(gè)氣室的混合，在電催化劑的作料與氧化劑在一個(gè)氣室的混合，在電催化劑的作用下，可能會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸，從而燒毀一節(jié)或用下，可能會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸，從而燒毀一節(jié)或幾節(jié)單電池，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電池組的失效。幾節(jié)單電池，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電池組的失效。當(dāng)當(dāng)PEMFC電池組中的某節(jié)單電池發(fā)生反極時(shí)，電池組中的某節(jié)單電池發(fā)生反極時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)的變化如下：電化學(xué)反應(yīng)的變化如下：1）當(dāng)

46、燃料供應(yīng)不足時(shí)，在陽極側(cè)：）當(dāng)燃料供應(yīng)不足時(shí)，在陽極側(cè)：正常電化學(xué)反應(yīng)正常電化學(xué)反應(yīng) 反極時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)反極時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)222212222OeHOHeHH氫氣供應(yīng)不足2）氧化劑氧氣供應(yīng)不足時(shí)，在陰極側(cè)：）氧化劑氧氣供應(yīng)不足時(shí)，在陰極側(cè)： 正常電化學(xué)反應(yīng)正常電化學(xué)反應(yīng) 反極時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)反極時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)222222221HeHOHHeO氧氣供應(yīng)不足時(shí)即由燃料電池過程（將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┺D(zhuǎn)變?yōu)橄募从扇剂想姵剡^程（將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┺D(zhuǎn)變?yōu)橄碾娔埽瑢⒀跤申帢O室遷移到陽極室的過程。此時(shí)，電池電能，將氧由陰極室遷移到陽極室的過程。此時(shí)，電池組輸出的電流不變，但工作電壓變?yōu)椋航M輸出的電流不變，但

47、工作電壓變?yōu)椋篿jVVVnjij1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(shí)一致，依據(jù)電池工）的值和按燃料電池工作時(shí)一致，依據(jù)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(cè)量第表測(cè)量第i節(jié)單電池的電壓節(jié)單電池的電壓, 可以發(fā)現(xiàn)它從按電池工作可以發(fā)現(xiàn)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(fù)，依據(jù)電流密度將可到逐漸變負(fù)，依據(jù)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(fā)生惰性氣體累積或燃料、氧化劑供應(yīng)因發(fā)生惰性氣體累積或燃料、氧化劑供應(yīng)不足等導(dǎo)致第不足等導(dǎo)致第i節(jié)單電池電壓從正到負(fù)的變節(jié)單電池電壓從正到負(fù)的變化過程稱之為化過程稱之為“反極反極”。如電池組發(fā)生反極后仍讓它繼續(xù)運(yùn)行，則如電池組發(fā)生反極后仍讓它繼續(xù)運(yùn)行，則第第i節(jié)單電池在氫室析出氧氣，經(jīng)電池組共節(jié)單電池在氫室析出氧氣，經(jīng)電池組共用管道進(jìn)入其相鄰單電池，導(dǎo)致電池組電用管道進(jìn)入其相鄰單電池，導(dǎo)致電池組電壓大幅度下降。嚴(yán)重時(shí)會(huì)由于氫氧混合在壓大幅度下降。

49、嚴(yán)重時(shí)會(huì)由于氫氧混合在電池組共用管道或單電池內(nèi)氣室發(fā)生爆炸電池組共用管道或單電池內(nèi)氣室發(fā)生爆炸而破壞電池組。而破壞電池組。在在PEMFC電池系統(tǒng)中發(fā)生某及節(jié)單電池燃料或氧化電池系統(tǒng)中發(fā)生某及節(jié)單電池燃料或氧化劑供應(yīng)不足的原因主要有：劑供應(yīng)不足的原因主要有：1）供氣系統(tǒng)故障：如氫氣的減壓穩(wěn)壓器突然失效，）供氣系統(tǒng)故障：如氫氣的減壓穩(wěn)壓器突然失效，空壓機(jī)故障導(dǎo)致供氣量減少或停止工作等。如此時(shí)電空壓機(jī)故障導(dǎo)致供氣量減少或停止工作等。如此時(shí)電池組對(duì)外輸出不斷開，電池組內(nèi)一定會(huì)發(fā)生某節(jié)單電池組對(duì)外輸出不斷開，電池組內(nèi)一定會(huì)發(fā)生某節(jié)單電池首先反極。池首先反極。2）電池排氣系統(tǒng)故障或原料氣純度不匹配：如氫氣

50、）電池排氣系統(tǒng)故障或原料氣純度不匹配：如氫氣排氣電磁閥失靈，導(dǎo)致氫氣長(zhǎng)時(shí)間無排放，或原設(shè)定排氣電磁閥失靈，導(dǎo)致氫氣長(zhǎng)時(shí)間無排放，或原設(shè)定排氣量不適應(yīng)偶然使用過低濃度的反應(yīng)氣。這種情況排氣量不適應(yīng)偶然使用過低濃度的反應(yīng)氣。這種情況一旦發(fā)生，將會(huì)引起電池組某節(jié)單電池由于惰性氣體一旦發(fā)生，將會(huì)引起電池組某節(jié)單電池由于惰性氣體積累而首先發(fā)生反極。積累而首先發(fā)生反極。2）電池排氣系統(tǒng)故障或原料氣純度不匹配：）電池排氣系統(tǒng)故障或原料氣純度不匹配：如氫氣排氣電磁閥失靈，導(dǎo)致氫氣長(zhǎng)時(shí)間無如氫氣排氣電磁閥失靈，導(dǎo)致氫氣長(zhǎng)時(shí)間無排放，或原設(shè)定排氣量不適應(yīng)偶然使用過低排放，或原設(shè)定排氣量不適應(yīng)偶然使用過低濃度的反應(yīng)氣。這種情況一旦發(fā)生，將會(huì)引濃度的反應(yīng)氣。這種情況一旦發(fā)生，將會(huì)引起電池組某節(jié)單電池由于惰性氣體積累而首起電池組某節(jié)單電池由于惰性氣體積累而首先發(fā)生反極。先發(fā)生反極。3）雙極板流場(chǎng)加工不均勻：）雙極板流場(chǎng)加工不均勻：MEA制備的不均制備的不均勻性、組裝時(shí)密封件變形和勻性、組裝時(shí)密封件變形和MEA壓深的不均壓深的不均勻性等導(dǎo)致電池組內(nèi)各單電池阻力分配不均勻。勻性等導(dǎo)致電池組內(nèi)各單電池阻力分配不均勻。一旦出現(xiàn)阻力過大或過小的電池，在電池組高一旦出現(xiàn)阻力過大或過小的電池，在電池組高功率運(yùn)行或過載時(shí)，阻力過大的單電池可能會(huì)功率運(yùn)行或過載時(shí)，阻力過大的單電池可能會(huì)出