哈工程燃料电池总复习..docxVIP

燃料电池是一种能量转换装置，它将存储在燃料中的化学能通过电化学反应直接转换成电能。燃料电池系统一般由五个子系统构成，分别是：燃料子系统；燃料电池子系统；热管理子系统；电力转换子系统；电池自动监控系统。通常将DC/DC变换器的输出功率与输入功率的比值定义为其变换效率。燃料电池的理论效率为：，式中r为燃料电池的理论效率，即热力学效率。根据产生的原因，极化可分为三种：活化极化；浓度极化；欧姆极化。电势偏离平衡电势的现象称为电极极化，定量表示极化程度大小的量就是过电势，通常用η表示。，常数a(A)相当于单位电流密度时的过电势，其值越小则极化越小。a(A)的大小主要取决于交换电流密度j0的大小，交换电流密度越大，则a(A)越小。对于氢氧燃料电池，阳极的过电势要比阴极的过电势低很多，电池的极化主要发生在阴极。由浓度上的差异引起的极化就称之为浓度极化，导致的过电势即为浓差过电势ηconc。当电极电势远远偏离其平衡值（阳极电势远高于其平衡电势或阴极电势远低于其平衡电势）时，电极反应的推动力足够大，电极反应足够快，反应物一旦到达电极表面立刻就被反应掉，此时反应物在电极表面上的浓度cs=0，这一条件下的电极反应产生的电流密度达到极限值，称为极限电流密度jL。在燃料电池的设计过程中，必须尽可能增大极限电流密度、避免电池过早进入浓差极化控制区。各种极化导致的电压损耗具有叠加性。将燃料电池的实际输出电压（E）与热力学可逆电压（Er）的比值定义为燃料电池的电压效率（ηvoltage），也称为电化学效率。将那部分真正产生电流的燃料与提供给燃料电池的总燃料之比定义为燃料利用率ηfuel。可再生燃料电池有独立式、整合式与可逆式三种。催化剂是电极中最主要的部分，电催化剂的功能是加速电极与电解质界面上的电化学反应或降低反应的活化能，使反应较容易进行。普通液相还原法的优点：方法简便；缺点：(a)制得的催化剂的分散性比较差；(b)金属粒子的平均粒径较大；(c)对于多组分的复合催化剂，还会产生各组分分布不均匀的问题。PEMFC的电极为气体扩散电极，它一般由扩散层和催化层组成。扩散层主要起支撑作用，并为反应气体的扩散和水的排出以及电子的流通提供通道，而且起到收集电流的作用。扩散层的功能有：(1) 支撑催化层；(2) 使气体反应物通过扩散层扩散到催化层；(3) 传递由催化层产生的电流。通常是在其表面涂覆一层炭粉进行整平处理，这样做的目的有两个：一个是为了消除表面的凹凸不平；另外一个目的是在炭纸或炭布表面再构建一个炭粉扩散薄层，以使气体进行均匀扩散。整平处理过程：炭粉可以选用乙炔炭黑，将其与PTFE乳液进行混合，得到一定比例的溶液，并对其进行超声震荡，以便分散得更为均匀，之后将混合溶液均匀涂覆在炭纸或炭布的表面，最后在330~370 ℃进行热处理，即可得到扩散层。质子交换膜作用：(1)它是种绝缘体，防止电池短路；(2)作为隔膜，把阴、阳极分开，也防止氢气与氧气直接接触；(3)它是一种质子导体，它把氢在阳极氧化生成的H+输送至阴极，提供阴极反应所需的H+，并使电池形成电回路。厚度对Nafion膜性能的影响：质子交换膜的厚度越薄越有利于减小电池的内阻和提高H+的迁移速率；但膜太薄，氢气和氧气易透过膜，气体的透过率与膜的厚度成反比，因此，Nafion膜的厚度要在一定的范围内。金属双极板的缺点：a.耐腐蚀性能差，不能满足燃料电池长期稳定运行的需要；b.金属表面会发生钝化，形成绝缘氧化层，增大了双极板和膜电极扩散层间的接触电阻；c.金属双极板的阳离子浸析会导致质子交换膜性能的下降。包覆技术是指以一种或多种金属板包裹在基体金属板表面的技术。流场的功能是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处。交指流场优点：这种流场设计能够提高电池的功率密度。反应物能够比较充分地通过流道，并具有较好的排水能力。交指流场缺点：由于扩散层的阻力较大，会使流场的压力降增大，而且容易发生短路或者沟流的情况。用高压氢作氢源优点是压力容器容易制造、制备压缩氢的技术简单、成本较低；缺点：质量储氢密度很低，而且，高压氢还有安全性问题。早期有人报道纳米碳管储氢量可高达10%，用电化学方法使纳米碳管储氢的储氢量可高达14%，石墨纳米纤维的储氢量甚至认为可高达67%。但最近的研究表明上述结果有问题，现在比较公认的纳米碳管储氢量只有1%。用纯氧的优点：电池性能好；用纯氧的缺点：a.需要氧源，如高压氧钢瓶；b. 另外，会给水控制带来一定困难。用高压空气，其优点：能够使电池的性能提高；缺点：空压机的价格较高，能耗较大。电池中的水是由于两个方面产生的：一方面是增湿带入了一部分水，另一方面是反应生成的水。常用的增湿方式可分为外增湿方式和内增湿方式。其中，外增湿方式有三种：a. 鼓泡法：将反应气体通过水温可控的鼓泡器进行增湿，称为