项目六 燃料电池电动汽车 任务二 认知质子交换膜燃料电池

新能源汽车技术项目六燃料电池电动汽车任务二认知质子交换膜燃料电池任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成1．质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池主要由膜电极和集流板组成。其工作原理如图6-3所示。经增湿后的H2和O2分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到催化层和质子交换膜的界面，在催化剂的作用下分别产生氧化反应和还原反应。阴极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传导到阳极，阳极反应产生的电子则经外电路到达阴极，形成放电电流；生成的水（H2O）以水蒸气或冷凝水的形式随着过剩的阴极反应气体从阴极室排出。任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成2．质子交换膜燃料电池单体的组成部件质子交换膜燃料电池单体的主要组成部件如图6-4所示。。图6-4质子交换膜燃料电池单体结构任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成（1）膜电极膜电极（MEA）是质子交换膜与两侧的气体扩散层（阴、阳电极）通过热压而成的复合体。MEA是PEMFC的核心部件，其结构如图6-5所示。质子交换膜是一种厚度仅为50～18的极薄膜片，是电极活性物质（催化剂）的基底。质子交换膜的特点是：在一定的温度和湿度下，可使H+（质子）通过，而不允许H2及其他离子通过。质子交换膜是PEMFC的核心技术，其化学、物理性质对PEMFC性能的影响极大。对质子交换膜的要求如下：1）具有良好的离子导电性能。2）应有适度的含水率。3）在电池工作时具有良好的化学稳定性。4）在极薄结构尺寸下仍具有足够的机械强度。5）膜表面与催化剂有良好的结合性能。任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成（2）双极板双极板又称为集流板，放置在膜电极的两侧，可将各电池单体串联起来。 双极板的两侧分别与相邻两电池单体的阳极和阴极接触，这样，无须导线就可将各电池单体串联起来。集流板除了用作导电和串联各电池单体外，其表面的导流槽还起导流燃料、氧气及冷却水的作用。双极板面向膜电极一侧的表面刻有沟槽（称为流道），用于导流燃料和氧气（空气），而双极板中间的沟槽则是冷却水的通道，用于带走反应生成的富余热量。双极板的材质和结构设计主要考虑其有良好的导电性和密封性，反应气体能均匀分布于电极各处，使水与热的排除顺畅。目前制作双极板的材料主要有石墨、表面改性的金属、炭黑-聚合物合成材料等，通过精密铣床加工或直接模压成形制成双极板的沟槽网（流场）。有的双极板则由网状结构的流场板与极板组合而成。任务二认知质子交换膜燃料电池一、质子交换膜燃料电池的组成3．质子交换膜燃料电池系统由燃料电池单体通过串联的方式组成的燃料电池堆必须持续地供给燃料和氧化剂，并及处理电化学反应产生韵水和热才能正常工作。因此，一个能持续向外供电的燃料电池必须配备燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及协调各系统工作的电子控制系统。典型的质子交换膜燃料电池系统如图6-6所示。任务二认知质子交换膜燃料电池二、质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素反映质子交换膜燃料电池工作性能好坏的重要参数有工作电压、输出电流及输出功率等。在燃料电池工作过程中，影响其工作特性的因素主要有燃料电池电堆本身的技术状况、燃料电池的工作条件及燃料电池系统的水/热管理。1．燃料电池电堆本身技术状况的影响燃料电池电堆的技术状况对质子交换膜燃料电池工作性能起着关键的作用，而影响电堆性能的主要因素有：1）膜电极的结构、制备方式和条件。2）质子交换膜的类型、厚度、预处理情况、传导质子的能力、机械强度、化学和热稳定性。3）催化剂的含量和制备方法。4）双极板的结构和流场的结构与布置。任务二认知质子交换膜燃料电池二、质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素2．燃料电池工作条件的影响（1）工作电压、功率密度及能量效率与输出电流的关系质子交换膜燃料电池的电压、功率与输出电流之间的关系如图6-8所示。从图6-8中可知，燃料电池的工作电压随着输出电流的增大而下降，但其功率却增大。由于燃料电池的效率主要与其工作电压有关，因此，当燃料电池电压高而能量效率高时，其功率却较低。最优化的燃