【燃料电池内部水传递研究现状综述3200字】

a图1.1各部分组件内部水的特征x=3~10,y=0~1,z=0~2,根据Jiao和Li[17],亚硫酸根离子相当于被束缚在结构之上，因此很难移动，而亚硫酸氢根离子中氢离子和亚硫酸根离子都会有比较强大的吸引力。亚硫酸氢根离子上的亲水团可以吸收大量的水，从而形成水合区域。在这个区域里，氢离子对于亚硫酸根离子的吸引力相对较弱，因此会更加容易移动。水合的亲水区域可以被认为是稀酸，这解释了为什么膜需要很好的水合(水合区域必须尽可能大),以获得可观的质子导电性。因此在PEMFC运行过程中，膜被充分、均匀地润湿对降低质子传递阻抗、提高电堆效率具有重要意义。对于离聚物吸收水的能力的大小我们借助每个酸根离子携带的水分子的数量□来进行评价。在一个完全水和的nafion膜中，每一个硫酸根离子大约有20个水分子在他的周围，质子的电导率可以达到10Sm-1以上。目前Nafion膜的厚度范围从25(Nafion211)到175(Nafion117)微米。可以容纳水的亲水区域的大小在纳米水平上。Jiao等[171还提出，根据水分子与磺酸集团结合的紧密程度不同，膜中的水可以分为可冻结水、不可冻结水和自由水。本文中仅讨论常规运行工况，不涉及低温冷启动，因此将膜中的水统称为膜态水。膜含水的多少一般用水含量λ(每个磺酸基团携带的水分子个数)进行描述。其中，Cm为膜中水的摩尔浓度；M为膜的等效摩尔质量，定义为含1mol磺酸基团的干离聚物质量(g),对Nafion膜，一般取1100g/mol¹;Pmem为膜的干密度。根据Jiao等[17],膜内的水传递机浓差扩散和液压渗透。浓度扩散主要指的是燃料电池在工作的情况下，内部的水分布不均匀，可能会出现质子交换膜两侧的水的浓度不一致，从而导致质子交换膜两侧的水扩散，浓度扩散的数量主要依靠扩散系数以及两侧的浓度值来确定。质子拖拽效应指的是由于质子交换膜传输质子的机制，在电池反应进行的过程中，由于传输质子的所引起将阳极侧的水带到阴极的情况，该效应所导致的水传递的数量主要取决于扩散系数以及电流密度的大小。压力扩散指的是燃料电池的阴极侧和阳极侧的气体在反应消耗的过程中以及初始压力的不同会导致气体的压力不一致，电池内部的水会由于压力差的存在，沿压力梯度方向进行迁移，该种机制下水的传递量主要取决于液压渗透系数和压力梯度。Schroeder'sParadox,即ionomer在液态水氛围下的吸水能力大于同温度饱和水蒸气氛围下的吸水能力，尽管两种形态的水此时具有相同的化学势[19]。为解释这一特殊现象，研究者们对膜进行了各种实验研究并提出了多种膜物理模型，其中，Weber等[20]于2003年提出的模型最有代表性，该模型认为，膜的结构为由疏水通道连接的亲水SO₃离子簇，与膜接触的水状态的不同会导致通道具有不同的属性，与之对应的水传递机制也有所不同，如图导致膜的平衡水含量较低，此时每个氢离子仅能携带一个水分子形成H电渗流是由H₃O+跨越疏水通道从一个SO₃位点跳跃到另一个So₃位点形成的，度驱动。这种疏水通道的压缩和扩张解释了Schroeder'sParadox。该模型还预测，当膜两侧分别处于液态水平衡和饱和水蒸气平衡时，两种机制同时起作用，膜的水含量从水蒸气平衡一侧的14连续变化到液态水平衡一侧的22。但Hwang等[21于2013年通过X射线微断层摄影观测的结果显示，当膜一侧为液态水平衡，另一侧为饱和水蒸气平衡时，膜水含量一致为22,而非Weber模型推测的从14连续变化到22。可以认为，膜的平衡水含量与边界处的水活度aw相关，水活度有多种不同的定义方式，本文采用的定义为：液态水和气态水的总浓度与相同温度下水蒸气的饱和浓度之比。关于平衡水含量与水活度的关系，Zawodzinski等[22]学者研究了30℃下Nafion-117膜在不同浓度水蒸气中(即aw≤1)的平衡水含量并给出了经验表达式，Springer等[23在其基础上假设，在1<aw≤3的区间平衡水含量由14线性变化到16.8,具体表达式如下。图1.3中给出了在不同的温度下，膜的水含量随着水的活度的变化。(2)在气体扩散层的水气体扩散层通常是碳纸或碳布，孔隙率在0.5左右或大于0.5。水以以蒸汽、液体和冰的形式存在于GDL的孔隙区。在正常操作条件下，水以蒸汽和液体的形式存在，凝结和蒸发的发生取决于当地的操作条件。在质子交换膜燃料电池冷启动时，水通常以水蒸气和冰的形式存在于GDL孔隙区(当局部水蒸气压力高于局部水饱和压力时形成冰)。PEMFC中的压力通常在1到几个大气压之间，在这个压力范围内，水的冰点可以看作是恒定的(0℃)由于PEMFC的工作压力总是等于或大于大气压力，所以可以安全地忽略升华过程(从冰直接变为蒸汽)。当地温度与水的冻结温度(大化为液体，反之亦然，在相变过程中，冰与在质子交换膜燃料电池即使在操作条件下蒸汽的蒸汽压力低于饱和压力。在气体扩散层中也会有少量的水的传递，但主要是水蒸气的传递，主间的相变，通常采用水蒸气浓度C、和液态水饱和度s来描述GDL中的水水含量描述CL中的水状态。氧还原反应在膜与阴极CL的界面处生成极CL液态水过多，一方面会阻碍氧气