扩散层孔隙率随机分布对燃料电池性能的影响
第３４卷 第３期 ２０１０年６月 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） Ｖｏ１．３４ ＮＯ．３ Ｊｕｎｅ ２０１０
扩散层孔隙率随机分布对燃料电池性能的影响＊
张 宁” 肖金生 詹志刚 潘 牧。
（成都理工大学工程技术学院” 乐山 ６１４０００） （武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室。’ 武汉４３００７０）
（武汉理工大学汽车工程学院” 武汉４３００７０）
摘要：质子交换膜燃料电池气体扩散层孔隙率分布对燃料电池性能有着重要的影响．本文建立了
一个单电池的三维模型，分别考虑了扩散层孔隙率均匀统计分布、 态统计分布、单一统计分布三 种情况，并用有限控制体法对模型进行了求解．结果表明，孔隙率单一统计分布扩散层的传质性能 最好，且ＭＥＡ的温度分布最均匀，凶此电池性能最好． 关键词：质子交换膜；燃料电池；扩散层；孔隙率；随机分布；模拟
中图法分类号：ＴＭ９１ ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—２８２３．２Ｏ１０．０３．０４３
质子交换膜燃料电池（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｒｅ
ｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ，ＰＥＭＦＣ）气体扩散层（ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ
ｌａｙｅｒ，ＧＤＬ）起着支撑催化层、传递反应气体、排水、
导热、导电等重要作用ｌ１］．它的材料组成、加工工
艺、气体孔隙率等对燃料电池性能影响很大，其中
以孔隙率分布对电池性能影响尤为严重．Ｇｕｒａｕ 等＿２ 通过一维的半电池模型研究孔隙率非均匀性
的影响，考虑了扩散层孔隙被液态水部分堵塞的情
形．Ｃｈｕａ等 从平均孔隙率的角度出发，提出了孔
隙率梯度变化的扩散层，研究不同电流密度下不同
孔隙率影响氧气传输导致极限电流密度的变化，即
孔隙率对浓差极化的影响，但模型也为一维模型．
文献［４］研究了扩散层孔隙率梯度分布对液态水传
输的影响，认为扩散层孔隙率越大、梯度越大，越有
利于液态水的排出．然而实际上，由于受材料构成
及制作工艺的影响，扩散层孔隙分布是杂乱无章，
毫无规律的，更接近于正态统计分布．本文建立了
一个单电池的３维模型，并利用ｃ语言产生了大量
分别服从均匀、正态分布 的大小在０～１之问的
随机数．基于有限控制体法，采用Ｆｌｕｅｎｔ软件的
ＵＤＦ功能将这些随机数分别赋值于扩散层的每一
个网格，对模型进行求解，并比较它们与单一扩散
层燃料电池的性能的差别及原因，为燃料电池设计
与制造提供了参考． １ 数学模型
１．１ 控利万程 ＰＥＭＦＣ模型所遵守的方程主要包括质量守
恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒
方程、多孔介质中的扩散方程和阴阳极的电化学
方程．
＋ ・（ｅｐｕ）一ｓ （１）
＋ ・（ “）一
一ｅ Ｐ＋ ・（ “）＋Ｓ （２）
＋ ．（ｓｐ％ｕ＠）一 一￡
・（尼 ＶＯ）＋ＳＱ （３）
＋ ・（ ）一
・（Ｄ Ｃｋ）＋Ｓｋ （４）
ｓ （ ） ｃｅ ㈣
ｓ Ｃｏｚ ］ｒｃ（ｅ缸ｅ一赢ｃ）（７）
式中：Ｍ，＠，ｐ分别为速度矢量、温度、压强；ＩＤ，忌 ，
ｃ ，￡，Ｄ ， ，Ｃ 分别为密度、有效导热系数、比压
收稿日期：２０１Ｏ－Ｏｌ一２２ 张宁（１９８０一）：男，硕士，主要研究领域为燃料电池的计算机模拟及仿真 高等学校博士学科点专项科研基金项目资助（批准号：２００５０４９７０１４）
第３期 张 宁，等：扩散层孔隙率随机分布对燃料电池性能的影响 ・６Ｏ１・
热容、孔隙率、组分有效扩散系数、粘度、组分浓
度；叩为过电位； 为参考交换电流密度；Ｃ ，Ｃ
分别为 组分的当地摩尔浓度、 组分的参考摩尔
浓度；ｙ和ａ分别为浓度指数和传递系数；下标字
母ａ和ｃ分别为阳极和阴极；Ｓ ，Ｓ ，Ｓ。，Ｓ 分别
为质量源项、动量源项、能量源项、组分浓度．
１．２计算区域及边界条件
计算的几何模型如图１，几何尺寸及网格划
分如表１．主要变量参数如表２．
图１单电池示意图 表１模型尺寸及网格划分
１．３孔隙率分布
在保证扩散层孔隙率平均值均为０．５的情况
下，利用计算流体动力学软件Ｆｌｕｅｎｔ的用户自定
义函数ＵＤＦ实现了扩散层孔隙率的单一统计分
布、正态统计分布和均匀统计分布．并将此和
Ｆｌｕｅｎｔ的ＰＥＭ模块结合起来，模拟了扩散层孔
隙率满足单一、均匀、正态（Ａ）、正态（Ｂ）等４种统
计分布的５个直流道单电池性能．生成的随机数
按每隔０．０１进行统计，具体统计结果如图２所
示．４种统计所满足的密度函数如下
表２主要变量及参数 参 数 数 值 参 数 数 值 操作压力／Ｐａ ２ｘ１Ｏ 氧气扩散系数／（ｍ ・Ｓ＿。） ３．２×１Ｏ 出口背压／Ｐａ ０ 水蒸气扩散系数／（ｍ。・Ｓ＿１） ７．３５×ｌ＿１１Ｏ 操作温度／℃ ８Ｏ 其他组分扩散系数／（ｍ ・Ｓ＿。）８×１０一 空气温度／℃ ８Ｏ 孔隙中水的饱和指数 ２ 氢气温度／℃ ８Ｏ 集流板有效电导率／Ｅ（ｎ・ｍ）＿ ］８３ ０００ 阴极过量系数 ２ 单一均匀扩散层的孔隙率０．５ 阳极过量系数 １．５ 扩散层有效电导率／Ｅ（ｎ・ｍ）＿１］ ５ ０００ 阳极体交换电流密度／（Ａ・ｍ ） １．５×１０。 催化层的孔隙率０．２ 阴极体交换电流密度／（Ａ・ｍ ） １×１０ 催化层有效电导率／Ｅ（ｎ・ｍ）＿。］ １ ０００ 阳极浓度指数０．５ 膜的摩尔质量／（ｋｇ・ｋｍｏｌ＿１） １ １【）（］ 阴极浓度指数 １ 膜质子传导系数 １ 开路电压／Ｖ １．０６６ 膜质子传导指数 ｌ 氢气扩散系数／（ｒｎ ・Ｓ ） １．１×１Ｏ 接触电阻／Ｅ（ｎ・ｍ ） ］ ２×１０
禳
０．０ Ｕ．２ 【Ｊ ４ ０．６ 【】 １．０ 孔隙率 图２扩散层网格孔隙率统计图
＿厂（ ）＝＝＝１（￡一０．５）；＿，’（ ）一０．０１（０≤￡≤１）；
０．０１ ｒ一（￡一０．５） ］ ㈦一 ｐｌ Ｊ
（０≤￡≤１）；
０．０１ ｒ一（￡一０．５） ］ ㈤一 ２ ｐ Ｌ ｂ Ｊ Ｏ．１６×√丁ｃ ｕ・ｌ Ｊ
（０≤￡≤１）． ２ 结果及分析
２．１不同统计分布的扩散层孔隙率对传质的影
响
图３为扩散层孔隙率满足单一、均匀、正态
（Ａ）、正态（Ｂ）４种不同统计分布时电池的性能曲
线．从图３可以看出，扩散层孔隙率越趋近于单一
统计分布时，燃料电池的性能越好，这可以从图４
７进行解释．图４为电流密度为１ Ａ／ｃｍ。时阴
极中问流道正下方扩散层和催化层交界面上的
ｏ。浓度分布、图５为电流密度为１ Ａ／ｃｍ 时阴极
扩散层和催化层交界面上的Ｏ 浓度分布，从图４
和图５可以看出，在扩散层和催化层交界面沿着
流道方向上，４种扩散层孔隙率不同统计分布的
燃料电池ｏ。浓度分布均逐渐减小，这是由于沿 ・６０２・ 武汉理工大学学报（交通科学与工程版） ２０１０年第３４卷
电流密厦／（Ａ ｃｍ ） 图３ 电池性能曲线
流道方向氧气由于反应而逐渐减小所造成的．但
孔隙率分布越趋于单一统计分布，Ｏ。浓度分布越
均匀，且平均值越大；反之，则越不均匀，且在局部
出现Ｏ。浓度过高或过低的现象．这是因为均匀
、９
，．． ０ ６
，、ｅ
，０
Ｌ３
， ５ ５８ｅ ０３６ Ｏｌ ０３ 嚣１ ． 一 ㈨．ｅ一 垂 ６ ４５ｅ一０３
ａ）单一分布 黑 琵
≮ ； ．９５ｅ￣ｏ－０３ ７．１１ｅ一０３ 氨 ６ ７０ｅ一０３ ６．２８ｅ一０３ 孚 星
楚 ６’
０．０３—０．０２—０．０ ｌ ０．００ ０．０ １ ０．０２ ０．０３ 流道入口到出Ｅｌ／ｍ 图４ 阴极流道下氧气的摩尔浓度
统计分布的扩散层孑Ｌ隙率在局部过大或过小，过
大的地方有利于气体的传质，过小的地方不利于
气体的传质，使扩散层局部地区传质性能太差，从
而影响扩散层整体的传质性能．
黑 蔫
ｌ ；．６１ ０ｅ－０Ｏｉ ６ ６７ｅ一０３ ２＿７４．２１ｅ蹦０
譬 １７２３３一４８５￣－０６ｅ—Ｏ５
ｂ）正态分布 ｃ）止态分布Ｂ ｄ）平均分布 图５ 阴极扩散层和催化层交界面氧气的摩尔浓度 图６为阴极流道正下方扩散层和催化层交界
面上水的Ｈ Ｏ浓度分布．从图６可以看出，沿着
流道方向，在阴极扩散层和催化层的交界面，４种
扩散层孔隙率不同统计分布的燃料电池Ｈ Ｏ浓
度均逐渐升高，这是因为反应生成的水要从流道
出口处排出，越靠近出口，Ｈ。Ｏ浓度越大，向扩散
层扩散的水越多．但孔隙率统计分布越趋近于单
一，Ｈ。０浓度分布越均匀，且平均值越小；反之，
则越不均匀，在局部出现过高或过低的现象．这主
要是因为网格的体积一定，在孔隙率比较大的地
方，孔的体积较大，有利于水的排出；孔隙率比较
小的地方，孔的体积相对较小，不利于水的排出，
０．０３—０．０２ ０．０ｌ ０．００ ０．０１ ０ ０２ ０．０３ 流道入口到出口／ｍ
图６ 阴极流道下水的摩尔浓度 从而在局部出现水含量过高或过低的现象．而孔
隙率越趋于单一分布，各处孑Ｌ的体积越趋于相等，
排水能力也越趋于相同，从而使扩散层各处的排
水能力都能得到充分的发挥，有利于水的排出，故
剩下水的含量相对较小．
２．２不同统计分布的扩散层孔隙率对温度的影
响
图７为沿流道方向阴极催化层中面的温度分
布．从图７可以看出，沿着流道方向，在阴极扩散
层和催化层的交界面，４种扩散层孔隙率不同统
计分布的燃料电池催化层的温度逐渐降低，这主
要是因为沿流道方向，氧气的摩尔浓度逐渐减小，
化学反应越来越弱，产生的热量逐渐减少所致．但
一０．０３—０．０２—０．０１ ０．００ ０．０ｌ ０．０２ ０．Ｏ３ 流道入口到出ｌ：／／ｍ 图７ 阴极催化层中面的温度分布 ∞；呈 ∞驰％ 鸺 Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ ０ ０ Ｏ ０ Ｏｎ Ｏ ０
邶 也瑚啦 邶 胁 ｍ ｛堇 ９８８７７６６５５４４４３ —．愿 美■■－
PEMFC电极孔隙率的优化研究
第５卷第２期 ２００６年６月 热 科 学 与 技 术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．５ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２００６ 文章编号：１６７１－８０９７（２００６）０２－０１０６—０６ ＰＥＭＦＣ电极孔隙率的优化研究
张竹茜， 张欣欣， 于 帆 （北京科技大学热能工程系，北京 １０００８３） 摘要：对质子交换膜燃料电池单体建立了三维稳态电化学模型，考察了气体扩散层孔隙率对电池性能的影 响，验证了扩散层孔隙率及层厚的变化反映从气体通道到扩散层和催化剂层的反应气体扩散量，进而影响电 化学反应的活跃程度；以膜与阴极催化剂层界面处获得的最大电压为目标函数，采用鲍威尔搜索法对气体扩 散层孔隙率进行数值优化，得到了扩散层孔隙率和层厚的最优值。通过优化前后氧气浓度和电流密度的对比 显示，这些参数可以显著改善电极的传质性能，使燃料电池获得最佳性能。 关键词：质子交换膜燃料电池；孔隙率；鲍威尔法；优化 中图分类号：ＴＭ９１１．４ 文献标识码：Ａ
Ｏ ５Ｉ 瞢 通常将质子交换膜燃料电池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃ－ ｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ，ＰＥＭＦＣ）的电极称为 膜电极（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）。 所谓膜电极是指由质子交换膜和其两侧各一片多 孑Ｌ气体扩散电极组成的阴、阳极和电解质的复合 体。其结构示意如图１所示［ 。膜电极主要由五部 分组成：阳极扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、 阴极催化剂层和阴极扩散层。在膜电极的两边分 别对应有阳极集流板和阴极集流板，也称为双极 板。 ＭＥＡ的工作过程为：首先氢气通过阳极集流 板上的气体通道穿过扩散层，到达阳极催化剂层， 在铂催化剂作用下，发生反应：Ｈ 一２Ｈ＋＋２ｅ。随 后，Ｈ 进入质子交换膜，与膜中磺酸基（ＳＯ。Ｈ） 上的Ｈ＋发生交换，使氢离子到达阴极。与此同 时，阴极的氧气也从集流板通过阴极扩散层到达 阴极催化剂层，并与交换而来的Ｈ＋在铂的催化 作用下发生反应：１／２０２＋２Ｈ＋＋２ｅ—Ｈ２０。 电极孔隙率￡是影响电池性能比较敏感的一 个参数。ｅ主要在两个方面影响电池性能，一方面 ｅ增大后，气体有更大的空间向催化剂层扩散，由 Ｊ［） “＝Ｄｉｅ ５［２］可知，增大ｅ可以增强组分的扩散 能力；但是另一方面也增加了接触阻力。电极孔隙 率大小对反应气体的传输影响非常明显，如果不 能通过扩散层提供充足的反应气体，那么电池性 能会受到很大影响；但是一味的增大孔隙率并不 可取，孔隙率变大后气体扩散电极以及膜的承压 能力都要降低，这对电池稳定运行是非常不利的。
基于显微CT技术的碳纸微观结构特征分析
2022 年第 6 期复合材料科学与工程65
DOI：1O. 19936/j. cnki. 2096-8000. 20220628. 010
基于显微CT技术的碳纸微观结构特征分析
史启通，
李 冰，
冯 聪，
明平文
* ,
张存满
(同济大学新能源汽车工程中心
，上海
201804)
摘要：作为一种多功能高孔隙率碳纤维复合材料，碳纸在燃料电池中承担着传质、传热和导电等重要作用，其微观结构特
征直接决定了燃料电池的性能和耐久性。本文利用显微CT扫描技术重建了碳纸的微观结构，并对其体积分数、孔径分布、碳
纤维长度、弯曲度、空间方位角和倾斜角进行了测量和分析。主要结论有：①孔径服从正态分布，平均孔直径为30.95 ^m；②
碳纤维长度和弦长服从三参数Weibull分布，平均弯曲度为1.03,表明纤维直线性较好;③方向角在0° - 90°之间等概率分布,
倾斜角大于45°的只占1.1%，说明碳纤维在xy平面上随机分布，只有少量的纤维呈垂直状态嵌入碳纸。最后本文指出了碳
纸在微观结构上的一些显著性特征和缺陷。该项研究有助于提高人们对碳纸在燃料电池中作用的认知。
关键词：碳纸；显微CT；微观结构；燃料电池；碳纤维复合材料
中图分类号： TB332 文献标识码： A 文章编号： 2096-8000( 2022) 06-0065-06
Investigation of carbon paper micro-structure by micro computed tomography
SHI Qi-tong, LI Bing, FENG Cong, MING Pin-wen
* , ZHANG Cun-man
(Clean Energy Automotive Engineering Center, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract
: As a kind of multifunctional and high porosity carbon fiber composite, carbon paper plays an impor
燃料电池的反应原理
燃料电池的基本原理
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
燃料电池是一种能量转化装置，其组成与一般电池相同，它是按电化学原理，即原电池工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池，氢-氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为：
负极：H2 + 2OH- → 2H2O +2e-；
正极：1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-；
电池反应：H2 + 1/2O2 == H2O
燃料气在阳极上放出电子，电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料气反应，构成回路，产生电流。同时，由于本身的电化学反应以及电池的内阻，燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外，也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时，阳极要求有更高的催化活性。另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
氢燃料电池的核心是电堆，电堆的核心是膜电极。上图是一个膜电极的示意图，一个膜电极主要有催化剂层（正极材料，负极材料），扩散层，质子交换膜，双极板（正极板，负极板）。正极材料和负极材料上涂有贵金属催化剂铂，而双极板是另外一个非常核心的零部件，双极板的上面是气体液体的流场。膜电极类似于动力电池系统中的锂离子电池单体（电芯），膜电极一片一片地串联起来便组成了一个电堆。
质子交换膜燃料电池 气体扩散层
质子交换膜燃料电池 气体扩散层
气体扩散层是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的一个重要组成部分。它位于阳极和阴极电极之间的气体侧，用于传递燃料气体和氧气气体到电极反应表面。
气体扩散层通常由多孔材料构成，例如碳纤维纸或碳纤维布。这些材料具有良好的导气性和导电性，以便气体能够顺利地在电池中流动。
气体扩散层的主要功能是促进燃料氧化反应和氧气还原反应的进行。它通过提供大量的孔隙结构和表面积，增加了燃料和氧气与催化剂之间的接触面积，从而提高了反应效率。
此外，气体扩散层还起到了液体水的传输和分布的作用。在PEMFC中，由于电化学反应产生的水分会堵塞气体扩散层的孔隙结构，从而降低气体的传输能力。因此，设计合适的气体扩散层对于确保燃料电池的长期稳定运行至关重要。
总之，气体扩散层在质子交换膜燃料电池中起着关键的作用，它促进了燃料和氧气的传输和反应，并有助于有效地管理液体水的产生和分布。
燃料电池实验报告
1 17 竭诚为您提供优质文档/双击可除
燃料电池实验报告
篇一：燃料电池综合特性实验报告
燃料电池综合特性实验
【实验背景】燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃料的热机。燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现有的其它电池。因此它的应用从最早的宇航等特殊领域，到现在人们积极研究将其应用到电动汽车，手机电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资进行研发。按燃料电池使用的电解质或燃料类型，可将现在和近期可行的燃料电池分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池6种主要类型，本实验研究其中的质子交换膜燃料电池。
能源为人类社会发展提供动力，长期依赖矿物能源使我
2 17 们面临环境污染之害，资源枯竭之困。为了人类社会的持续健康发展，各国都致力于研究开发新型能源。未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然气，而燃料电池将成为取代汽油，柴油和化学电池的清洁能源。
【摘要】燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池(pem)以其高功率密度、高能量转换效率、可低温启动、环境友好等突出优点而受到瞩目。本实验包含太阳能电池发电（光能—电能转换），电解水制取氢气（电能—氢能转换），燃料电池发电（氢能—电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。本实验通过研究燃料电池的工作原理，测量其输出特性，计算燃料电池的最大输出功率及效率并验证法拉第电解定律。测量太阳能电池的特性，做出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率等。
【关键词】燃料电池，电解池，太阳能电池
【正文】
一、实验目的：
1、了解燃料电池的工作原理。
2、观察仪器的能量转换过程：
碳纸(碳布)在燃料电池中的作用
或许你知道碳纤维，但是你知道什么是碳纤维纸吗？今天小飞象跟大家一起分享关于碳纸（碳布）在燃料电池中的作用吧！
碳纸（碳布），又称为碳纤维纸（布），是燃料电池实验的专用材料，即气体扩散层，气体扩散层为燃料电池的心脏-膜电极组
(MEA) 中一项不可或缺的材料,
它扮演着MEA与双极板之间的沟通桥梁角色。
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其主要功能包括:
1. 引导气体从石墨板的导流沟槽到触煤层；
2. 顺利把反应式产生物-水排除于触媒层之外，避免淹水问题；
3. 电流的传导器；
4. 在燃料电池反应时具散热功能；
5. 足够的强度支撑MEA当其因为吸水过多而变形时。
常用的气体扩散层材料有碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及碳黑纸等。但有的也使用金属材料，如扁平的金属海绵——网状金属镍。其中碳纤维纸是一种最为广泛应用于电极中的气体扩散层材料。
PEM燃料电池的工作原理
PEM燃料电池的工作原理
近年来印度的发电和输电能力已得到了显著的改善，但仍有 2.1％ 的能源缺口，并且约有 2 万个村庄没有纳入电网覆盖范围。不仅如此，通往城乡的电力供应仍旧不稳定。因此，柴油发电机被大范围地应用于分散式供电。柴油发电机（图 1 左）虽然价格低廉，但普遍效率低下，同时会对周边环境和居民的健康带来潜在危害。
图 1. 左图：为印度的电信塔供电的柴油发电机。右图：PEM 燃料电池。
为解决这一难题，印度国家化学实验室（National Chemistry Laboratory， 简称 NCL）联合印度科学与工业研究理事会（Council of Scientific and Industrial Research，简称 CSIR）下属的两所实验室——中央电化学研究所（Central Electrochemical Research Institute，简称
CECRI）和国家物理实验室（National Physical Laboratory，简称 NPL），着手研究清洁、高效、可靠的发电技术为电信塔供电，并期望最终能够为建筑物提供能源。
质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，简称 PEM 燃料电池或
PEMFC，见图 1）是一种兼顾了成本和污染问题的理想解决方案。如今许多应用中都能看到 PEM 燃料电池的身影，它正逐步替代传统的电力技术。燃料电池的优势明显：碳排量小、噪音低、燃料兼容性强，与其他可再生能源解决方案具有良好的互补性，因此适用于交通运输、住宅楼、办公室以及一些工业领域。PEM 燃料电池系统的总转换效率超过
30％（柴油发电机约为 22%~25%），当使用纯氢气发电时，排放物只有水蒸气。
PEM 燃料电池的工作原理
PEM 燃料电池中包含一个膜电极组件（membrane electrode assembly，简称 MEA），由气体扩散层、电极和聚合物电解质膜构成。在 MEA 内发生电化学反应，产生电能。
质子交换膜燃料电池的基本结构
质子交换膜燃料电池的基本结构
1 / 51 / 5 质子交换膜燃料电池的基本结构（一）
如图1所示，质子交换膜燃料电池的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。催化剂构成电极，在其之上直接为扩散层。电解质、催化剂层和气体扩散层的组合被称为膜片-电极组件。
①质子交换膜 质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180 um的薄膜片，其微观结构非常复杂。它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只容许氢离子（氢质子）透过，而不容许氢分子及其他离子透过。
(a) PEMFC的基本结构
(b)质子交换膜燃料电池组的外观
图1 质子交换膜燃料电池的基本结构
质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率，还要有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，并同时具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合的性能。
质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响，对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有：膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能（电阻率、面电阻，电导率）和选择通过性能（透过性参数P）上。
a．膜的厚度和单位面积质量。膜的厚度和单位面积质量越低，膜的电阻越小，电池的质子交换膜燃料电池的基本结构
氢燃料电池结构
氢燃料电池结构
一、引言
氢燃料电池是一种新型的清洁能源技术，其具有高效、环保、可再生等优点，被广泛应用于汽车、航空航天等领域。而氢燃料电池的核心部件——氢燃料电池堆，则是实现其能量转化的关键。
本文将详细介绍氢燃料电池堆的结构，包括主要组成部分、各部分的作用及相互关系等内容。
二、氢燃料电池堆结构
1.整体结构
氢燃料电池堆由多个单元组成，每个单元都是由阳极、阴极和质子交换膜三部分组成。多个单元串联在一起形成一个完整的电池堆。
2.阳极
阳极是氢燃料电池堆中最重要的部分之一，它主要由催化剂层和承载层两部分组成。催化剂层通常采用铂或其合金作为催化剂，在其表面上反应出产生质子和电子的水解反应。承载层则起到支撑和导电作用。
3.阴极
阴极也是氢燃料电池堆中的重要组成部分，其主要由催化剂层、氧气扩散层和集流体三部分组成。催化剂层通常采用铂或其合金作为催化剂，在其表面上反应出产生水的还原反应。氧气扩散层则起到扩散氧气和导电的作用，集流体则负责将电子传输到外部电路。
4.质子交换膜
质子交换膜是阳极和阴极之间的隔离层，它能够让质子通过，但阻止电子通过。常用的材料有聚四氟乙烯、聚苯乙烯等。
5.冷却系统
由于氢燃料电池堆在工作过程中会产生大量热量，因此需要设置冷却系统来降低温度。一般采用循环水冷却或空气冷却方式。
6.压力调节系统
为了保证氢燃料电池堆内部压力稳定，需要设置压力调节系统。它通常由压力传感器、控制阀门等组成。
7.控制系统
控制系统是整个氢燃料电池堆的大脑，它负责监测和调节氢气、氧气、水等物质的流量和压力，以及控制整个系统的运行状态。
三、氢燃料电池堆工作原理
当氢气进入阳极时，经过催化剂层的作用，其分子内部发生水解反应，产生质子和电子。质子通过质子交换膜到达阴极，而电子则通过外部电路到达阴极。在阴极处，氧气进入并与质子结合形成水。整个过程中产生的电能可以通过外部电路输出。
四、结论
综上所述，氢燃料电池堆是一种由多个单元组成的清洁能源转换设备，其主要由阳极、阴极、质子交换膜等组成。在工作过程中，它能够将化学能转化为电能，并且不会产生有害物质排放。随着清洁能源技术的不断发展和完善，相信氢燃料电池堆将会得到更加广泛的应用和推广。
燃料电池实验报告 2
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燃料电池实验报告
篇一：燃料电池综合特性实验报告
燃料电池综合特性实验
【实验背景】燃料电池以氢和氧为燃料，通过电化学反应直接产生电力，能量转换效率高于燃烧燃料的热机。燃料电池的反应生成物为水，对环境无污染，单位体积氢的储能密度远高于现有的其它电池。因此它的应用从最早的宇航等特殊领域，到现在人们积极研究将其应用到电动汽车，手机电池等日常生活的各个方面，各国都投入巨资进行研发。按燃料电池使用的电解质或燃料类型，可将现在和近期可行的燃料电池分为碱性燃料电池，质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池，磷酸燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池6种主要类型，本实验研究其中的质子交换膜燃料电池。
能源为人类社会发展提供动力，长期依赖矿物能源使我
2 17 们面临环境污染之害，资源枯竭之困。为了人类社会的持续健康发展，各国都致力于研究开发新型能源。未来的能源系统中，太阳能将作为主要的一次能源替代目前的煤，石油和天然气，而燃料电池将成为取代汽油，柴油和化学电池的清洁能源。
【摘要】燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池(pem)以其高功率密度、高能量转换效率、可低温启动、环境友好等突出优点而受到瞩目。本实验包含太阳能电池发电（光能—电能转换），电解水制取氢气（电能—氢能转换），燃料电池发电（氢能—电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。本实验通过研究燃料电池的工作原理，测量其输出特性，计算燃料电池的最大输出功率及效率并验证法拉第电解定律。测量太阳能电池的特性，做出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率等。
【关键词】燃料电池，电解池，太阳能电池
【正文】
一、实验目的：
1、了解燃料电池的工作原理。
2、观察仪器的能量转换过程：