质子交换膜燃料电池膜内水传递研究

摘要

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转变成电能的发电装置，它的最大特点是不经过热机过程，因此，不受卡诺循环限制，能量转换效率高，而且环境污染小，噪声低，被公认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有工作温度较低、起动时间短、功率密度高等特点，作为新一代电动汽车动力源、便携式小型电源、家庭用热电联供系统等受到各国政府和能源、汽车、家电等企业的广泛关注、高度重视及大力支持。 质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键材料之一，其性能直接影响着电池的性能。目前，PEMFC普遍采用固体聚合物电解质膜，质子在膜中以水合质子的形式从阳极传导到阴极，水在膜中作为质子传导的载体。同一种聚合物膜的含水量越高，膜内质子传导速率就越快，膜的电导率越大。对PEMFC而言，保持质子交换膜充足的水含量十分重要。 通常质子交换膜厚度只有几十微米，燃料电池质子交换膜中水含量的分布情况的测试非常困难，在目前的水管理研究中，主要采取建模模拟的方法，对质子交换膜中的水传递规律进行理论研究，T.E.Spfinger等在扩散模型的基础上建立了模型并根据实验测试结果，对膜含水量与水的活度关系进行了拟合，所得到的电渗系数和扩散系数的函数关系被许多学者采用。 本论文根据Springer水传递模型理论分析了膜两侧的压力差、湿度差以及膜中的电流密度等操作条件对膜中水含量、水分布的影响，并从实验上进行测试。实验测试采用叠加质子交换膜来增加厚度和便于分开秤重的方法，克服了质子交换膜厚度较小，不易测量的困难，直接获得膜两侧压力差、湿度差和膜中电流存在下质子交换膜中水含量分布规律。研究发现： (1)电池电流为零，且不与外界发生水热交换，膜两侧只有压力差存在时，膜中水含量在膜厚度方向上基本均匀，只有在压力低的一侧水含量稍高，且随着膜两侧压力差的增大，膜中水含量变化不大。而模型分析结果显示，沿膜厚度方向，从压力低侧向压力高的一侧，膜中水含量按指数规律衰减，且压力差越高，质子交换膜膜压力高的一侧水含量衰减越严重，即此测试结果与模型分析结果不同。分析其原因，认为主要是，膜两侧受压时，压力不是均匀分布在膜内，而是作用在膜表面。 (2)膜两侧压力差为零，与外界不发生水热交换，电流为Ⅰ时，膜中水含量在膜厚度方向上分布基本均匀，且电流密度的升高对膜中水含量分布影响剧烈。而理论分析结果为膜中水含量沿膜厚度方向按指数规律衰减，且电流密度越大，膜中水含量衰减越严重。此实验结果与理论分析不完全一致，认为其原因是膜中毛细孔力的作用。 (3)电池电流为零，膜两侧压力差为零，膜两侧湿度不同时，质子交换膜湿度高的一侧水含量稍高，其余部分水含量分布基本均匀，而不像理论分析结果中显示的由水浓度较高的一侧向浓度较低的一侧，膜中水含量按线性规律减小。 测试结果表明，膜中水含量与理论分析相差较大，实验结果与理论模型分析结论不完全一致，模型有些地方需要进一步的修正，以便建立与电池更为接近的理论模型，为电池的操作模拟或设计优化提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章综述

1.1序言

1.2质子交换膜燃料电池的结构及工作原理

1.2.1膜燃料电池的结构

1.2.2燃料电池的工作原理

1.3膜中水传递研究现状

1.3.1质子交换膜水传递模型发展

1.3.2理论模型模拟

1.3.3测试方法研究

1.3.4存在的问题

1.4本论文研究内容

1.4.1目的意义

1.4.2内容及方法

第2章质子交换膜中水迁移理论分析

2.1 Springer理论模型

3.1.1电迁移

3.1.2浓差扩散

3.1.3压差迁移

2.2压力差对质子交换膜中水分布的影响

2.3电流密度对质子交换膜中水分布的影响

2.4膜两侧湿度差对质子交换膜中水分布的影响

2.5小结

第3章质子交换膜中水迁移实验研究

3.1压力差对质子交换膜中水分布的影响

3.1.1理论分析

3.1.2实验测试

3.1.3结果与分析

3.2电流对质子交换膜中水分布的影响

3.2.1理论分析

3.2.2实验测试

3.3湿度对质子交换膜中水分布的影响

3.3.1理论分析

3.3.2实验测试

3.4本章小结

第4章结论与展望

4.1结论

4.2今后研究方向

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文