【《氢燃料电池机理分析》2600字】

第第页氢燃料电池机理分析1.1氢燃料电池简介质子交换膜在很大程度上影响着氢燃料电池的性能，是氢燃料电池中最为关键的组成部分，结构图如图2-5所示[23]。它要求具有良好的质子导电性、低的气体渗透性、良好的电化学稳定性和机械强度。目前，质子交换膜主要包括全氟磺酸型质子交换膜、Nafion膜、非氟聚合物质子交换膜以及新型质子交换膜，绝大多数的燃料电池采用Nafion膜[24]。但是，Nafion膜也存在一些缺陷，如制备困难成本高，工作条件恶劣、含水量和温度的变化会对电池的性能产生很大的影响，且高渗透性的燃料不适用于质子交换膜。因此，能替代Nafion膜的、新型符合条件的质子交换膜还有待于研究发现[24]。图2-5质子交换膜结构示意图Fig.2-5Schematicdiagramofprotonexchangemembranestructure质子交换膜燃料电池（氢燃料电池）工作原理如图2-6所示。图2-6质子交换膜工作原理图Fig.2-6Workingprinciplediagramofprotonexchangemembrane氢气和空气分别通过进气管流入阳极通道和阴极通道，反应气体通过电极上的扩散层到达质子交换膜。在膜的阳极侧，氢在催化剂的作用下分解成氢离子和电子。氢离子在水的支撑下形成水合氢离子，并通过质子交换膜到达阴极，从而完成质子传递过程[38]。阳极反应式如下：H2→由于质子的传输，大量电子积聚在膜的阳极侧形成电池的负极，而阴极侧则是电池的正极。在膜阴极侧的催化剂作用下，氧与氢离子、电子反应形成水。阴极反应式如下[38]：12O总反应式如下：121.2燃料电池单体的活化极化电动势燃料电池可以直接将化学能转化为电能，其理论输出最大电压为热力学理论电动势，即开路电压，但是由于燃料电池自身的结构特点及电化学反应本身，使得存在三项不可逆损失于其中，分别是活化极化电动势、欧姆极化电动势和浓差极化电动势[39]。正是由于极化现象的存在，使得燃料电池的实际输出电压总是小于理论值，燃料电池实际的输出电压可以表示为热力学理论电动势与由于极化现象而产生的电压损失的差值[39]，即：V=Enernst式中，V表示燃料电池单体的实际输出电压；Enernst表示燃料电池单体的热力学理论电动势；Eact表示燃料电池单体的活化极化电动势；Eohmic表示燃料电池单体的欧姆极化电动势；Econ（1）燃料电池单体的热力学理论电动势在燃料电池输出电压模型的研究中，热力学理论电动势一般由能斯特方程表示，能斯特方程根据阴阳极侧燃料的分压力及温度参数，可以推出燃料电池单体的热力学理论电动势，又称能斯特电动势，其表达式如下[39]：Enernst=式中，△G表示吉布斯自由能的值，△G=237180（J/mol）；△S表示标准摩尔熵的值，由于反应中温度被认为是定值，故熵的变化量近似认为是一个常数，被设为标准值[59]，△S=−163.15（mol˙K）；PH2，PO2分别表示氢气分压力、氧气分压力，其单位均为bar；F表示法拉第常数，F=96485c；T表示反应过程中的热力学温度（单位：K）；T0表示参考温度，大小取为298.15K；R将上述参数带入（式2-26）中，则方程表示为：Enernst（2）燃料电池单体的活化极化电动势极化现象在燃料电池的运行过程中是不可避免的。活化极化是一种电极电化学反应迟延造成的电极电位偏离平衡电位的现象，活化极化现象的产生是由于电化学反应过程中，需要消耗能量打破参与反应的物质的化学键、引起电子的转移，能量的消耗就带来了电压的损失。活化极化现象容易发生在低电流密度区域，且在电池的阴阳两极均有发生[40]。阴阳极的活化极化电动势由Butler-Volmer表示为：Eact式中，α表示电荷传输系数，通常取0.5；i0表示交换电流密度，阴阳极两侧的氧化还原反应速度相差较大，交换电流密度也相差较大，通常阴极的交换电流密度要比阳极的交换电流密度低约5个数量级，故活化极化对电池的影响，一般忽略阳极[40]。（式2-28）的应用范围受到电流密度的限制，当i>i0时，公式可以很好地表达电池的特性，而低温燃料电池Eact=式中，i表示电流密度；V0表示电流密度为0时的电压降，Va和c0为常数，V0和V0Va（3）燃料电池单体的欧姆极化电动势根据燃料电池工作的原理，电化学反应的过程中，质子以水合氢离子的形式穿过质子交换膜，电子要流经电极、集流板等电池组件，在质子和电子的流动过程中都会受到阻碍作用，均会对燃料电池造成极化损失现象，产生电压损失[41-43]。欧姆极化损失遵循欧姆定律，且随着电流密度的增大而增大，则欧姆极化损失可以表示为[41-43]：Eohmic=I∙式中，Rohmic表示燃料电池单体的内阻；燃料电池单体的内阻主要来自于质子交换膜的等效阻抗RM和质子电子转移过程中的阻抗Rohmic其中，l表示质子交换膜的厚度；S表示质子交换膜的有效活化面积；ρMρM式中，Tst表示燃料电池运行温度；v表示质子交换膜的含水量，膜相对湿度在0-100%变化时，对应的膜含水量在0-14之间变化，仿真中膜含水量假设为100%。（4）燃料电池单体的浓差极化电动势浓差极化现象一般发生在高电流密度区域，质子再通过交换膜时，会停留在催化层，然而受限于催化剂的接触面积，并不是所有质子到达阴极之后都会立即参与反应，在膜附近质子浓度升高，在浓度梯度的作用下，质子向低浓度区域扩散，形成边界层，造成对电池反应不利的影响，产生浓差极化电动势[41-43]。浓差极化电动势的大小与燃料电池的结构及工作状态相关，其表达式如下：Econ=−式中，imax表示极限电流密度，即所用燃料电