燃料电池与燃料电池汽车-4

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。关于质子交换膜电池的组装相关知识。

燃料电池与燃料电池汽车—4

• 电池组的主体为MEA，双极板及相应夹板
  • 若两块端板用金属等制作，还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘板
• 衡量标准
  • 转化效率（民用发电）
  • 质量比功率、体积比功率（汽车）
• 损坏
  • 交换膜破坏的原因主要有:
    • 局部电流密度过高产生过量废热，热点击穿，导致燃料 与氧化剂混合
    • MEA制备时机械损伤与反应气压力波动
    • 膜的含水量急剧变化导致膜损伤
      • 目前尺寸稳定性较差，膜吸水时要溶胀，失水时收缩，变化幅度高达10%~20%。若MEA制备条件不合适，或在电池启停过程中引起膜的水含量大幅度急剧变化，或电池运行过程中预增湿能力不足，会导致MEA中膜的尺寸急剧变化而破坏。
  • 反极
    • 因发生惰性气体累积或燃料、氧化剂供应不足等导致第;节单电池电压从正到负的变化过程
    • 如电池组发生反极后仍让它继续运行，则第节单电池在氢室析出氧气，经电池组共用管道进入其相邻单电池，导致电池组电压大幅度下降。严重时会由于氢氧混合在电池组共用管道或单电池内气室发生爆炸而破坏电池组。
• 组装
  • 密封
  • 流场设计
  • 电池组失效的原因
    • 电催化剂中毒与老化
    • 质子交换膜的老化、腐蚀和污染
    • 当负荷发生大幅度变化（启动、停机和运行），电池组内某节或某几节电池会失效，甚至可能会发生爆炸，导致整个电池组失效
  • 热管理
    • 排热方法
      • 冷却液循环排热法
        • 纯水
          • 一旦水被污染（采用去离子水），电导升高，则在电池组的冷却水流经的共用管道内要发生轻微的电解产生氢氧混合气体，影响电池的安全运行，同时也会产生一定的内漏电，降低电池组的能量转化效率。（水中的污染金属离子可通过离子交换法去除）
        • 水与乙二醇混合液
          • 冷却剂的电阻将增大。由于冷却剂的比热容降低，循环量要增大，而且一旦冷却剂被金属离子污染，其去除要比纯水难度大得多。
      • 空气冷却法（小功率）
        • 对千瓦级尤其是百瓦级PEMFC电池组，可以采用空气冷却来排除电池组产生的废热
      • 蒸汽排热法
    • 为确保电池组温度分布的均匀性，冷却液进出口最大温差一般不超过10C，最好为5°C。这样，冷却水流量比较大，为减少冷却水泵功耗，应尽量减少冷却液流经电池组的压力降。
  • 水管理
    • 由于膜的质子(离子) 导电性与膜的润湿状态密切相关。液态水依靠反应气吹扫。但大量液态水会导致阴极扩散层内氧传质速度的降低。（90%以上以气态水）能增加氧阴极气体扩散层内氧的传质速度和减少电池组废热排出的热负荷。
    • 传递方式
      • 电迁移（与H+一起）
        • 与电池工作电流密度和质子的水合数有关
      • 浓差反扩散
        • 水在阴极生成，浓度高于阳极侧，在水浓差的作用下反扩散
          • 浓度梯度
          • 扩散系数
      • 压力迁移
        • 一般使氧化剂压力高于还原剂的压力，水由膜的阴极侧向阳极侧传递
          • 压力梯度和水在膜中的渗透系数成正比，而与水在膜中的粘度成反比
      • 相对于气相水而言，液相水的排出会更加困难。而当电池在高电流密度下运行时，两相流的发生是不可避免的。