【《燃料电池输出性能表征分析综述》1300字（论文）】

燃料电池输出性能表征分析综述1燃料电池原理和元件质子交换膜燃料电池由质子交换膜(PEM)、阴阳极催化层(CL)、阴阳极气体扩散层(GDL)和有不同流道的双极板等构成，湿润的空气/氢气各自从阴阳极流道流入，部分空气/氢气通过阴阳极扩散层的对流扩散到催化层，氢气催化为电子和离子状态的氢，氢离子借助电渗拖拽通过质子膜到达阴极催化层，而电子从负载回路到阴极催化层，氧气与氢离子和电子反应产生水同时获得热和电能[20]，图2-1是反应原理示意图。阴阳极化学反应表达式和总反应表达式如下。图2-1质子交换膜燃料电池(PEMFC)原理示意图燃料电池本身的基本原理较为简单，繁杂的是整个电池的内部反应，有气液两相流，反应气体强制对流及扩散，质量传输，膜内质子传输，冷却介质间的热传导，电化学反应等流程，往往一个部件里面有多个反应发生。燃料电池的核心部件为质子膜，将电池的阴阳极分开，要求质子导电性高，电子绝缘性好，在运作过程中国的机械和化学性能平稳。现在，杜邦公司制造的Nafion系列膜应用广。在电池运转时质子与水结合从膜的阳极向阴极传递，膜的含水程度决定了导电性，膜的温度也有影响，通常膜含水量随温度指数的上升而增加。图2-2催化层示意图催化层是涂有催化剂层，在多孔电极和聚合物膜交界处，催化剂表面上发生各种反应，这个部位有电子、质子和反应气体互相反应，故也叫三相边界，如图2-2。在活化催化层涂层生产时，有效活化面积要尽可能的多，同时减少铂的量，使颗粒状的铂散步在载体上。但是，在高电位，高温，高氧时，氧和碳会反应，故活化面积变小。并且工作参数也能对催化层造成伤害，比如分布不均的反应气体，波动大的温度和电压都使催化层腐蚀，降低电池寿命和性能。气体扩散层使气体输送效率提高，要及时除去阴极催化层的液态水，避免水淹。扩散层得维持整个膜电极，故要求足够的刚度，还需柔性来确保催化剂微粒电接触良好，电子传输接触阻抗减小。双极板是燃料电池的一部分，反应气体流道存在于双极板的两面，是反应气体进来的管道，还要排出反应的废水，组成电堆的单体电池借助双极板来连接，两侧分别接触不同单体电池的阴阳极。极板的中间部分一般还有冷却剂流道，来稳定电池温度。双极板的材料一般用石墨，大规模堆叠中应用受限。另一种材料是金属，机械强度好，导电性高和制造成本小，厚度甚至能降到约1毫米，可以大规模应用，使得燃料电池的性能上升和成本下降。缺点是金属界面接触电阻大和长期耐腐蚀性差。2PEMFC输出性能表征图2-3标准电压极化曲线如图2-3，用电压极化曲线来表现燃料电池输出性能，电流密度和输出电压的乘积是功率密度与电流密度的功率密度曲线，不过，燃料电池的输出电压又总是低于电池开路电压，因为有不可逆损失，体现为三类电压损失，即欧姆电压损失，活化电压损失和浓差电压损失，在不同的电流密度区域，三种不可逆损失导致不同的过电势，因此电流密度的增加，输出电压减小，而燃料电池的功率密度随电流密度的增加而上升，达到峰值后迅速下降[20]。图2-4，是各种电压损失随电流密度的变化趋势。活化电压损失在低电流区是主导因素，以对数规律变化；欧姆电压损失在电流中间区为主要因素，呈线性变化[20];浓差电压损失在高电流区域为主要