(優(yōu)選)燃料電池基礎(chǔ)理論動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)研究方法.課件

1、（優(yōu)選）燃料電池基礎(chǔ)理論動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)研究方法.2022/7/142熱量傳遞的三種基本方式1 導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）(Conduction)熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。(1)定義：指溫度不同的物體各部分或溫度不同的兩物體間直接接觸時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象(2)物質(zhì)的屬性：可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱的特點(diǎn)：a 必須有溫差；b 物體直接接觸；c 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；d 在引力場(chǎng)下單純的導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。2022/7/143(4)導(dǎo)熱的基本定律： 1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier:

2、 上式稱(chēng)為Fourier定律，號(hào)稱(chēng)導(dǎo)熱基本定律，是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中：熱流量，單位時(shí)間傳遞的熱量W；q：熱流密度，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量；A：垂直于導(dǎo)熱方向的截面積m2；：導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率）W/( m K)。圖1-2 一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0 x dxdtQ2022/7/144定義：流體中（氣體或液體）溫度不同的各部分之 間，由于發(fā)生相對(duì)的宏觀運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處 傳遞到另一處的現(xiàn)象。2 對(duì)流（熱對(duì)流）(Convection)(2) 對(duì)流換熱：當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞 過(guò)程，他與單純的對(duì)流不同，具有如下特點(diǎn)： a 導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在的復(fù)雜熱傳遞過(guò)程 b 必須有直接接觸（流體

3、與壁面）和宏觀運(yùn)動(dòng)；也 必須有溫差 c 壁面處會(huì)形成速度梯度很大的邊界層 對(duì)流換熱的分類(lèi) 無(wú)相變：強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流 有相變：沸騰換熱和凝結(jié)換熱2022/7/145Convection heattransfer coefficient(4) 對(duì)流換熱的基本計(jì)算公式牛頓冷卻公式h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 熱流量W，單位時(shí)間傳遞的熱量q 熱流密度A 與流體接觸的壁面面積 固體壁表面溫度 流體溫度2022/7/146(1) 定義：有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞能量的現(xiàn)象3 熱輻射(Thermal radiation)(2) 特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射；b 可以在真

4、空中傳播；c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。 (3) 生活中的例子： a 當(dāng)你靠近火的時(shí)候，會(huì)感到面向火的一面比背面熱； b 冬天的夜晚，呆在有窗簾的屋子內(nèi)會(huì)感到比沒(méi)有窗簾時(shí) 要舒服； c 太陽(yáng)能傳遞到地面 d 冬天，蔬菜大棚內(nèi)的空氣溫度在0以上，但地面卻可能 結(jié)冰。2022/7/147傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1 傳熱過(guò)程的定義：兩流體間通過(guò)固體壁面進(jìn)行的換熱2 傳熱過(guò)程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射輻射換熱、對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)圖18 墻壁的散熱2022/7/148在導(dǎo)熱體中取一微元體熱力學(xué)第一定律： d 時(shí)間內(nèi)微元體中：導(dǎo)

5、入與導(dǎo)出凈熱量+ 內(nèi)熱源發(fā)熱量= 熱力學(xué)能的增加1、導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈熱量d 時(shí)間內(nèi)、沿 x 軸方向、經(jīng) x 表面導(dǎo)入的熱量：2022/7/149、邊界條件說(shuō)明導(dǎo)熱體邊界上過(guò)程進(jìn)行的特點(diǎn)反映過(guò)程與周?chē)h(huán)境相互作用的條件邊界條件一般可分為三類(lèi)：第一類(lèi)、第二類(lèi)、第三類(lèi)邊界條件（）第一類(lèi)邊界條件s 邊界面; tw = f (x,y,z) 邊界面上的溫度已知任一瞬間導(dǎo)熱體邊界上溫度值：穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱： tw = const非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱： tw = f ()（Boundary conditions）2022/7/1410（2）第二類(lèi)邊界條件根據(jù)傅里葉定律：已知物體邊界上熱流密度的分布及變化規(guī)律：第二類(lèi)邊界條件

6、相當(dāng)于已知任何時(shí)刻物體邊界面法向的溫度梯度值穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：qw非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱：特例：絕熱邊界面：2022/7/1411（3）第三類(lèi)邊界條件傅里葉定律：當(dāng)物體壁面與流體相接觸進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí)，已知任一時(shí)刻邊界面周?chē)黧w的溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)導(dǎo)熱微分方程式的求解方法導(dǎo)熱微分方程單值性條件求解方法 溫度場(chǎng)積分法、杜哈美爾法、格林函數(shù)法、拉普拉斯變換法 、分離變量法、積分變換法、數(shù)值計(jì)算法tf, hqw牛頓冷卻定律：2022/7/1412內(nèi)能（U） 廣義地說(shuō)，內(nèi)能是由系統(tǒng)內(nèi)部狀況決定的能量。熱力學(xué)系統(tǒng)由大量分子、原子組成，儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部的能量是全部微觀粒子各種能量的總和，即微觀粒子的動(dòng)能、勢(shì)能、化學(xué)能、電離能、核

7、能等等的總和 。 由于在系統(tǒng)經(jīng)歷的熱力學(xué)過(guò)程中，物質(zhì)的分子、原子、原子核的結(jié)構(gòu)一般都不發(fā)生變化，即分子的內(nèi)部能量保持不變。2022/7/1413內(nèi)能（U） 系統(tǒng)的內(nèi)能通常是指全部分子的動(dòng)能以及分子間相互作用勢(shì)能之和，前者包括分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)的動(dòng)能，后者是所有可能的分子對(duì)之間相互作用勢(shì)能的總和。 內(nèi)能是態(tài)函數(shù)。真實(shí)氣體的內(nèi)能是溫度和體積的函數(shù)。理想氣體的分子間無(wú)相互作用，其內(nèi)能只是溫度的函數(shù)。2022/7/1414熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律 ：也叫能量不滅原理，就是能量守恒定律。 dU = dQ-dW 對(duì)于機(jī)械功：dW =pdV所以： dU = dQ- pdV 2022/7/1415熵（e

8、ntropy）物理學(xué)上指熱能除以溫度所得的商，標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功的程度?？茖W(xué)技術(shù)上用來(lái)描述、表征體系混亂度的函數(shù)。 熱力學(xué)中工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)之一。在可逆微變化過(guò)程中，熵的變化等于系統(tǒng)從熱源吸收的熱量與熱源的熱力學(xué)溫度之比，可用于度量熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ某潭取?dS=dQ/T dQ=TdS2022/7/1416熵（entropy）lg其中，為系統(tǒng)分子的狀態(tài)數(shù)，為玻爾茲曼常數(shù)。由熵與熱力學(xué)幾率之間的關(guān)系，可以認(rèn)為：系統(tǒng)的熵值直接反映了它所處狀態(tài)的均勻程度，系統(tǒng)的熵值越小，它所處的狀態(tài)越是有序；系統(tǒng)的熵值越大，它所處的狀態(tài)越是無(wú)序。熵均大于等于零,dS0。2022/7/1417熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律

9、一種常用的表達(dá)方式是，每一個(gè)自發(fā)的物理或化學(xué)過(guò)程總是向著熵增高的方向發(fā)展,熵增加原理就是熱力學(xué)第二定律。熵是一種不能轉(zhuǎn)化為功的熱能。熵的改變量等于熱量的改變量除以絕對(duì)溫度。 熱能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只能從高溫物體傳到低溫物體。 2022/7/1418焓熱力學(xué)中用來(lái)表示物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，常用符號(hào)H表示。數(shù)值上等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加上壓強(qiáng)p和體積V的乘積，即H=U+pV。焓的變化是系統(tǒng)在等壓可逆過(guò)程中所吸收的熱量的度量。 2022/7/1419自由能自由能 free energy ：在熱力學(xué)當(dāng)中，自由能是指在某一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程中，系統(tǒng)減少的內(nèi)能中可以轉(zhuǎn)化為對(duì)外作功的部分。它衡量的是：在一個(gè)特

10、定的熱力學(xué)過(guò)程中，系統(tǒng)可對(duì)外輸出的“有用能量”?？煞譃楹ツ坊羝澴杂赡芎图妓棺杂赡?2022/7/1420自由能按照亥姆霍茲的定容自由能F與吉布斯的定壓自由能G的定義，G=A+PV （p為壓力，V為體積）。對(duì)于亥姆霍茲定容自由能F：dF=-SdT-VdP對(duì)于吉布斯定壓自由能G：dG=-SdT+PdV2022/7/1421焓變dH=TdS+VdP化學(xué)過(guò)程中的焓變：H=產(chǎn)物反應(yīng)物 ； H稱(chēng)為焓變，H具有的特征，但可測(cè)定。2022/7/14221、 標(biāo)準(zhǔn)條件： 、熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：溫度298K、標(biāo)準(zhǔn)壓力、且純態(tài)。 、穩(wěn)定單質(zhì)：標(biāo)態(tài)下，某元素以多種形式存在時(shí)，焓值最低，即最穩(wěn)定的為穩(wěn)定單質(zhì)。、人為指定標(biāo)態(tài)

11、下，穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓規(guī)定為 零。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓2022/7/1423化學(xué)反應(yīng)熱的熱力學(xué)求算利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓求算H0由： Qp 產(chǎn)物 反應(yīng)物 用于具體反應(yīng) AB+CD=AD+BCH0 ()()2022/7/1424蓋斯定律恒壓或恒容下，如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)分幾步進(jìn)行，則總反應(yīng)的反應(yīng)熱等于各步反應(yīng)熱之和。 即：2022/7/1425熵與焓和溫度的關(guān)系2022/7/1426反應(yīng)焓和熵的計(jì)算2022/7/1427吉布斯自由能計(jì)算2022/7/1428吉布斯自由能與反應(yīng)自發(fā)性及電壓的關(guān)系G0，非自發(fā)；G0，平衡；G0，自發(fā)。2022/7/1429標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì) 任何溫度下標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)值都為0

12、，但其他電極電勢(shì)值會(huì)受到溫度影響。 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)是可逆電極在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及平衡態(tài)時(shí)的電勢(shì)，也就是標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)的電極電勢(shì)。 標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，就用該標(biāo)準(zhǔn)電極與氫標(biāo)準(zhǔn)電極串連，測(cè)得的電勢(shì)值就作為該標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的值。 2022/7/1430規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)氫電極用鍍鉑黑的金屬鉑導(dǎo)電2022/7/1431可逆電壓隨溫度和壓強(qiáng)的變化2022/7/1432Nernst equation 在電化學(xué)中，能斯特方程用來(lái)計(jì)算電極上相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)（E）來(lái)說(shuō)的指定氧化還原對(duì)的平衡電壓(E)。 電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)是在298K下，反應(yīng)物的濃度為1molL-1（反應(yīng)物為氣態(tài)時(shí)，其分壓為101kPa）時(shí)測(cè)得的，如果反應(yīng)物的濃度和溫度發(fā)生改變，

13、則電對(duì)的電極電勢(shì)也隨著發(fā)生變化，它們之間的關(guān)系可以用能斯特方程表示 2022/7/1433Nernst equation2022/7/1434Nernst equation2022/7/1435Nernst equation2022/7/1436燃料電池效率2022/7/1437燃料電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)2022/7/1438燃料電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)電化學(xué)反應(yīng)都包含電極和化學(xué)物質(zhì)之間的電荷轉(zhuǎn)移。而化學(xué)反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生在兩種化學(xué)物質(zhì)之間。燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)中，氫氣、質(zhì)子和電子之間的反應(yīng)必須發(fā)生在電極和電解質(zhì)的交界處。2022/7/1439燃料電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流是一種電化學(xué)反應(yīng)速率的

14、直接度量。2022/7/1440電勢(shì)控制電子能量2022/7/1441電化學(xué)反應(yīng)速率是有限的2022/7/1442電荷轉(zhuǎn)移需要一個(gè)活化能氫氣氧化基本步驟：2022/7/1443氫吸附電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程2022/7/1444氫吸附電荷轉(zhuǎn)移能量變化2022/7/1445活化能決定反應(yīng)速率只有處于活化態(tài)的物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)從反應(yīng)物到生成物的轉(zhuǎn)化。所以反應(yīng)速率取決于反應(yīng)物處于活化態(tài)的概率。2022/7/1446反應(yīng)速度計(jì)算2022/7/1447平衡態(tài)下的反應(yīng)速率-交換電流密度2022/7/1448平衡條件下的反應(yīng)電勢(shì) 在電極上，開(kāi)始由于正逆反應(yīng)速率的差距，導(dǎo)致電子在金屬電極上聚集，而質(zhì)子在電解質(zhì)上聚集。 在反應(yīng)界

15、面兩側(cè)，由于電子和質(zhì)子的聚集，產(chǎn)生電勢(shì)差。 如果反應(yīng)物和生成物之間的自由能態(tài)之差和界面電勢(shì)差正好相互抵消，電極達(dá)到平衡狀態(tài)。2022/7/1449平衡條件下的反應(yīng)電勢(shì)2022/7/1450平衡條件下的反應(yīng)電勢(shì)2022/7/1451平衡條件下的反應(yīng)電勢(shì)2022/7/1452電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volmer方程 如果降低界面電勢(shì)差（即活化過(guò)電勢(shì)），系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)，正向活化能降低了nF，逆向活化能升高了（1-）nF。正反應(yīng)速度提高。是傳遞系統(tǒng)，表示反應(yīng)界面電勢(shì)的改變?nèi)绾胃淖冋蚝湍嫦蚧罨艿拇笮?，一般?.2-0.5之間。2022/7/1453電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volm

16、er方程2022/7/1454電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volmer方程2022/7/1455電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volmer方程交換電流密度和濃度的關(guān)系：2022/7/1456電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volmer方程2022/7/1457電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volmer方程Butler-Volmer方程是電化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基石。闡述了電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流隨活化過(guò)電勢(shì)的指數(shù)倍增加?；罨^(guò)電勢(shì)是電化學(xué)過(guò)程中為了克服活化能壘而損失的電壓。2022/7/1458電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Volmer方程2022/7/1459電勢(shì)和速率的關(guān)系：Butler-Vo

17、lmer方程2022/7/1460改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能增加反應(yīng)物濃度；降低反應(yīng)活化能；提高反應(yīng)溫度；增加有效反應(yīng)界面。2022/7/1461活化動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)化：Tafel方程2022/7/1462活化動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)化：Tafel方程2022/7/1463燃料電池電荷傳輸2022/7/1464燃料電池電荷傳輸 燃料電池中有三種動(dòng)力可以驅(qū)動(dòng)電荷傳輸：電學(xué)驅(qū)動(dòng)力，即電勢(shì)梯度dV/dx；化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，即化學(xué)勢(shì)梯度d/dx和機(jī)械驅(qū)動(dòng)力dP/dx。 在金屬電極中，只有電勢(shì)梯度可以驅(qū)動(dòng)電子傳輸。在電解質(zhì)中，化學(xué)勢(shì)（即濃度）梯度和電勢(shì)梯度都可以驅(qū)動(dòng)質(zhì)子傳輸。 在燃料電池中，電學(xué)（電勢(shì)梯度）驅(qū)動(dòng)力對(duì)電荷傳輸起主導(dǎo)作用。也

18、就是說(shuō)，質(zhì)子積累/消耗電學(xué)效果形成的電勢(shì)梯度的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)子積累/消耗化學(xué)效果形成的濃度梯度的作用。2022/7/1465燃料電池電荷傳輸2022/7/1466電荷傳輸導(dǎo)致的電壓損失2022/7/1467電阻隨面積變化2022/7/1468電阻隨面積變化2022/7/1469阻抗的可加性2022/7/1470主導(dǎo)阻抗2022/7/1471電導(dǎo)率 電導(dǎo)率是一種材料適合電荷傳輸好壞程度，表示在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下一種材料允許電荷傳輸?shù)哪芰ΑＳ绊懖牧想妼?dǎo)率的因素：1、材料中載流子的濃度；2、載流子在材料中的遷移率。2022/7/1472電導(dǎo)率2022/7/1473電子導(dǎo)體與離子導(dǎo)體2022/7/1474電子

19、電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率聚合物電解質(zhì)離子擴(kuò)散率為10-8m2/s，固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率比金屬電子電導(dǎo)率低很多。2022/7/1475燃料電池電解質(zhì)的要求高離子電導(dǎo)率；低電子電導(dǎo)率；高穩(wěn)定性；低燃料滲透；合理的機(jī)械強(qiáng)度；容易制備。2022/7/1476聚合物電解質(zhì)中的離子傳導(dǎo)聚合物要傳輸離子必須具備：固定電荷節(jié)點(diǎn)和自由體積。固定電荷節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有相反電荷來(lái)保證聚合物的靜電荷平衡；固定電荷節(jié)點(diǎn)提供了容納或釋放自由離子的臨時(shí)中心。聚合物的結(jié)構(gòu)不是完全致密的，這種自由體積改善了離子的穿過(guò)能力，增加自由體積會(huì)增加聚合物內(nèi)小規(guī)模結(jié)構(gòu)振動(dòng)和移動(dòng)范圍，這些運(yùn)動(dòng)會(huì)引起離子從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。2022/7/1477

20、聚合物電解質(zhì)中的離子傳導(dǎo)2022/7/1478聚合物電解質(zhì)中的離子傳導(dǎo)聚合物自由體積也為車(chē)載機(jī)制離子傳輸提供了場(chǎng)所。在車(chē)載機(jī)制中，離子在某種自由物質(zhì)經(jīng)過(guò)時(shí)搭載上這些車(chē)輛，通過(guò)自由體積空間實(shí)現(xiàn)傳輸。水是一種常見(jiàn)的自由載體物質(zhì)，當(dāng)水分穿過(guò)聚合物中自由體積時(shí)，離子可以隨同搭載。2022/7/1479Nafion中的離子傳輸 Nafion具有聚四氟乙烯（Teflon）支撐骨架結(jié)構(gòu)，與Teflon不同的是Nafion包含磺酸基（SO3-H+）功能團(tuán)。 Teflon提供了機(jī)械強(qiáng)度，磺酸基提供了固定電荷節(jié)點(diǎn)。而Nafion鏈的相互交聯(lián)形成了自由體積，即孔隙。Nafion濕潤(rùn)后的水分為自由載體，和質(zhì)子形成水合

21、質(zhì)子，在孔隙中傳遞。 Teflon的憎水性加速了膜中的水的傳輸。2022/7/1480Nafion2022/7/1481NafionNafion的孔狀結(jié)構(gòu)可以容納很多水分。當(dāng)充分濕潤(rùn)時(shí)，其體積可以增長(zhǎng)22%。Nafion膜的導(dǎo)電率和水分含量密切相關(guān)，測(cè)量水分含量是測(cè)量膜電導(dǎo)率的關(guān)鍵。Nafion膜含水量是每個(gè)帶電節(jié)點(diǎn)攜帶水分子的數(shù)目。Nafion膜含水量的范圍為0-22.2022/7/1482Nafion2022/7/1483Nafion2022/7/1484電滲作用水遷移質(zhì)子以水合質(zhì)子的形式移動(dòng)，每個(gè)質(zhì)子都會(huì)攜帶一個(gè)或幾個(gè)水分在Nafion膜的孔隙中移動(dòng)。每個(gè)質(zhì)子攜帶水分子的數(shù)目是電滲作用系

22、數(shù)ndrag（=22）。在膜充分濕潤(rùn)時(shí)， ndrag=2.50.2（溫度在30到50）。2022/7/1485膜中水分的反擴(kuò)散通常PEM燃料電池陰極的水分濃度比陽(yáng)極高，水分在濃差作用下出現(xiàn)反擴(kuò)散。2022/7/1486Nafion等效質(zhì)量=原子或分子質(zhì)量/化合價(jià)Nafion中磺酸基（SO3-H+）是1價(jià)，一個(gè)磺酸基只能結(jié)合一個(gè)質(zhì)子，因此，等效質(zhì)量為加一個(gè)質(zhì)子的聚合物結(jié)構(gòu)的平均質(zhì)量。Nafion等效質(zhì)量一般為1-1.1kg/mol，干態(tài)密度為1970kg/m32022/7/1487Nafion2022/7/1488Nafion2022/7/1489燃料電池質(zhì)量傳輸2022/7/1490燃料電池質(zhì)

23、量傳輸燃料電池中的質(zhì)量傳輸包括：1、氫氣在流場(chǎng)和陽(yáng)極中的傳遞；2、氧氣和氮?dú)庠诹鲌?chǎng)和陰極中的傳遞；3、電子在陰極和陽(yáng)極中的傳遞；4、質(zhì)子在催化劑層和膜中的傳遞；5、水分在整個(gè)燃料電池中的傳遞。2022/7/1491燃料電池質(zhì)量傳輸2022/7/1492流場(chǎng)和電極中的質(zhì)量傳輸2022/7/1493電極中的質(zhì)量傳輸2022/7/1494電極中的質(zhì)量傳輸2022/7/1495電極中的質(zhì)量傳輸2022/7/1496有效擴(kuò)散系數(shù)2022/7/1497極限電流密度2022/7/1498濃差過(guò)電壓 催化劑層中由于反應(yīng)物消耗引起的壓力損耗叫濃差過(guò)電壓（conc）。 濃度對(duì)燃料電池的影響包括通過(guò)Nernst方程

24、和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)影響。2022/7/1499濃差過(guò)電壓2022/7/14100濃差過(guò)電壓由Butler-Volmer方程也可以得到濃差過(guò)電壓。2022/7/14101濃差過(guò)電壓2022/7/14102流道中的對(duì)流傳質(zhì)2022/7/14103流道中的對(duì)流傳質(zhì)2022/7/14104流道中的對(duì)流傳質(zhì)2022/7/14105氣體在流道中的消耗2022/7/14106氣體在流道中的消耗催化劑層消耗的氧氣：擴(kuò)散層擴(kuò)散的氧氣：2022/7/14107氣體在流道中的消耗通過(guò)氣體通道和擴(kuò)散層界面的氧氣：催化劑層消耗的氧氣等于擴(kuò)散層擴(kuò)散的氧氣，等于從氣體通道進(jìn)入擴(kuò)散層的氧氣：2022/7/14108氣體在流道中的

25、消耗由上述關(guān)系式可以得到：輸入的氧氣減排除的氧氣等于進(jìn)入擴(kuò)散層的氧氣：2022/7/14109氣體在流道中的消耗氧氣的總消耗：上述方程式聯(lián)立得到：2022/7/14110流場(chǎng)設(shè)計(jì)2022/7/14111流場(chǎng)設(shè)計(jì)2022/7/14112燃料電池模型2022/7/14113燃料電池模型2022/7/14114燃料電池模型2022/7/14115燃料電池模型2022/7/14116燃料電池模型2022/7/14117燃料電池一維模型-通量平衡2022/7/14118電流和消耗通量平衡2022/7/14119水分通量平衡2022/7/14120一維模型描述2022/7/14121模型控制方程2022/

26、7/14122PEMFC一維模型范例2022/7/14123PEMFC一維模型范例2022/7/14124PEMFC一維模型范例2022/7/14125PEMFC一維模型范例2022/7/14126PEMFC一維模型范例2022/7/14127燃料電池模型控制方程2022/7/14128燃料電池模型控制方程2022/7/14129燃料電池模型控制方程2022/7/14130燃料電池模型控制方程2022/7/14131燃料電池表征2022/7/14132燃料電池表征參數(shù)燃料電池的特征參數(shù)包括：總體性能：i-V曲線、功率密度；動(dòng)力學(xué)特性：act，j0，活性表面積；歐姆特性：Rohmic，電解質(zhì)電導(dǎo)率，接觸電阻，電極電阻；質(zhì)量傳輸特性：jL，Deff，壓強(qiáng)損耗，電化學(xué)反應(yīng)的均勻性；損耗：jleak,副反應(yīng)，燃料滲漏；2022/7/14133燃料電池的表征電極結(jié)構(gòu)特性：孔隙率，彎曲率，電導(dǎo)率；催化劑結(jié)構(gòu)特性：厚度，孔隙率，催化劑負(fù)載，顆粒大小，活性表面積，利用率，三相界面，離子傳導(dǎo)率，電子傳導(dǎo)率；流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性：壓降，氣體分布，電導(dǎo)率；熱產(chǎn)生和熱平衡；壽命特性：壽命測(cè)試，退化，循環(huán)，開(kāi)啟/關(guān)閉，失效，侵蝕，疲勞；2022/7/14