质子交换膜燃料电池 水热管理
质子交换膜燃料电池
1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行 PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共 同努力下，FEMFC取得了突破性进展。
采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟 磺酸膜，使电池性能提高数倍。
④构成双极板的材料必须在阳极运行条件下(一定的电 极电位、氧化剂、还原剂等)抗腐蚀，以达到电池组的 寿命要求，一般为几千小时至几万小时。
⑤因为PEMFC电池组效率一般在50％左右，双权板材 料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出。
为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于 加工(如加工流场)，最优的材料是适于用批量生产工 艺加工的材料。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
由图可知，构成PEMFC的关键材料与部件 为电催化剂、电极(阴极与阳极)、质子交换 膜和双极板。
PEMFC中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应:
阳极反应： H2 2H 2e
该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
这是目前世界各国研发的重点之一。
其难点：在PEMFC工作条件下的抗腐蚀问题（氧 化，还原，一定的电位和弱酸性电解质下的稳定 性）；与扩散层（碳纸）的接触电阻大。
抗腐蚀的方法之一是用改变合金组成与制备工艺的 方法。
4. 复合双极板：
采用廉价的多孔石墨板制备流场。由于这层多孔石 墨流场板在电池工作时充满水，既有利于膜的保湿， 也阻止反应气与作为分隔板的薄金属板 （0.1~0.2mm)接触，因而减缓了它的腐蚀。
质子交换膜燃料电池膜中气态水管理模型
１ Ｐ ＭＦ Ｅ Ｃ单 电 池膜 的水 传 输 模 型
数学 模 型在建 立 时遵循 以下 假设 ：（ ） 电池本 １ 体 的温 度分 布均 匀 ；（ ） 阴 阳极 压 力分 布均匀 且相 ２ 等 ；（ ）在 膜 的水含量 和 水通量 是 均匀 的 ；（ ）假 ３ ４ 设水 以气 态形 式存 在 ；（ ）不计 扩 散层 的厚度 ，忽 ５ 略 气体 在扩 散层 的扩 散 ；（ ）燃料 剂和 氧化剂 分别 ６
不能过 高 ． 因此 ， 比较适 合用 于控 制膜 水合 程 度 的 量 只有反应 气体 的湿 度． 为此 ，本 文考 虑 阴 阳极 压 力相 同 的情况下 ，通过控 制 反应气 体 湿度 ，尽 量提
（Ｄ 一
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要求 解式 （ ） ６ ，需要 通过 有 限单元 法进行 数值 求解 ． 因为文 中 的 目的是 要通 过模 型实施 控制 ，这
文献分别经历了一维二维和三维的研究建立了pemfc水管理的机理模型然而这些模型往往都是基于电池稳态而建立的对动态模型的研究还很少文献10只就阴极的两相水进行了简单的瞬态模拟但却忽视了一些重要的因素例如膜中水的分布情况就没有考虑11所述当膜处于完全水合状态时可以明显降低膜阻抗提高电池性能影响膜水合程度的主要因素有电池阴阳极水量的多少阴阳极压力差及负载电流密度的大小阴阳极水量又取决于反应气体的预增湿和阴极化学反应生成的水而在以上影响因素中可以加以控制的量只有反应气体的预增湿和阴阳极压差尽管随着电池阴阳极压差的增大有利于膜的水合但受电池结构和膜电极mea机械强度的制约电池阴阳极压差不能过高因此比较适合用于控制膜水合程度的量只有反应气体的湿度为此本文考虑阴阳极压力相同的情况下通过控制反应气体湿度尽量提高膜的水合程度另外为了降低阴极因传质受限引起的浓差极化必须采取相应的措施排除阴极过多的水量文中在保证阴极的反应气体流量满足负载需要的情况下适当增大和固定其流量便于带出阴极多余水保证适中的膜水合程度又能够降低扩散层水的泛滥因此本文先就控制膜中水含量进行讨论然而要对被控对象进行有效控制之前必须建立适合控制的膜水含量模型由于目前相关方面的研究未见公开的报道文献11通过matlab仿真作出了前期准备工作因此本文在已有的基础上结合上海交通大学燃料电池研究所的燃料电池测试装置上获得的实验数据进行数字测试在膜水含量控制模型的研究方面进行尝试并验证算法的合理性1pemfc单电池膜的水传输模型数学模型在建立时遵循以下假设
燃料电池内部构造及作用
燃料电池内部构造及作用
燃料电池的内部构造包括燃料电池堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统及电控系统。
1.燃料电池堆：由多个单电池以串联方式层叠组合构成，将双极板与膜电极三合一组件（MEA）
交替叠合，各单电池之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固住，就组成了质子交换膜燃料电池堆。
2.氢气供给系统：的主要作用是将储氢瓶出来的氢气进行一定的处理，转化成适于燃料电池堆内
化学反应的气体（流量、压力、温度、湿度等），经过氢气供给系统的处理，让燃料电池堆处于相对舒服的条件下。
3.空气供给系统：主要是对即将进入燃料电池的空气进行过滤、加压、加湿等处理，保证燃料电
池堆阴极侧的温度、压力、湿度及流量处于比较舒适的范围内。
4.水热管理系统：在燃料电池的运行过程中起到重要作用，通过对水蒸气的控制以及对热量的管
理，确保燃料电池的正常运行。
5.电控系统：是燃料电池的控制系统，负责监控和管理燃料电池的运行状态，确保其安全、稳定
地运行。
总的来说，燃料电池的内部构造和作用是确保其高效、稳定地运行，并产生电能。
1。
车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法
车用质子交换膜燃料电池发动机的水管理和热管理方法
胡蕴宇;张元才
【期刊名称】《上海汽车》
【年(卷),期】2006(000)004
【摘要】水和热管理是燃料电池发动机的关键技术之一.文章从一个新的角度对水管理和热管理加以区分,介绍了水管理和热管理包含的内容,以及现有的方法.分析了反应气体流量、压力及冷却液参数等对电池堆性能的影响,为燃料电池发动机系统的水管理和热管理研究提供了一个良好的基础.
【总页数】3页(P3-5)
【作者】胡蕴宇;张元才
【作者单位】同济大学;同济大学
【正文语种】中文
【中图分类】U4
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质子交换膜燃料电池水管理模型
质子交换膜燃料电池水管理模型
包成;吴骞;欧阳明高;衣宝廉
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2005(41)1
【摘要】水管理是质子交换膜燃料电池的关键技术之一。
建立了包括电极扩散层模型、阴极催化剂层伪均质模型和质子交换膜水传递模型的一维稳态质子交换膜燃料电池水管理模型,得到的电池极化特性与试验结果吻合。
在此基础上分析了电池温度和反应气体流量、压力、增湿温度和相对湿度等操作条件对电池性能的影响,为燃料电池发动机系统的仿真、优化和控制提供了一个良好的基础。
【总页数】6页(P108-113)
【关键词】质子交换膜;燃料电池;水管理;模型
【作者】包成;吴骞;欧阳明高;衣宝廉
【作者单位】清华大学汽车安全与节能国家重点实验室;中国科学院大连化学物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】U473.4
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质子交换膜燃料电池水运输方程
质子交换膜燃料电池水运输方程
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种常见的燃料电池类型，它通过化学反应将氢气和氧气
转化为电能和水。
在质子交换膜燃料电池中，水的运输是一个重要
的过程，它涉及到水在电池内部的传输和分布。
水运输方程描述了
水在质子交换膜燃料电池中的扩散、对流和反应等过程，是研究和
优化燃料电池性能的重要方面之一。
水运输方程可以通过多种方式描述，其中最常见的是使用
Fick's Law和连续方程。
Fick's Law描述了水的扩散过程，它可以
表示为质子交换膜内水分子的扩散速率与浓度梯度成正比的关系。
连续方程则描述了水的对流和反应过程，考虑了流体动力学和质子
交换膜内部的水汽生成和消耗等因素。
在质子交换膜燃料电池中，水运输方程的研究可以帮助优化电
池结构设计和操作参数，以提高电池的效率和稳定性。
通过数值模
拟和实验验证，可以得到质子交换膜燃料电池内部水分布的情况，
进而指导电池的优化和改进。
除了数学模型和实验研究，还有一些研究方法可以用于分析质
子交换膜燃料电池的水运输方程，例如计算流体力学（CFD）模拟、
原位诊断技术和同步辐射技术等。
这些方法可以从不同的角度揭示
质子交换膜燃料电池内部水运输的复杂机理，为电池性能的提升提
供理论和实验支持。
总之，水运输方程在质子交换膜燃料电池研究中具有重要作用，它是研究人员理解和优化燃料电池水管理的重要工具，对于提高燃
料电池的能量转化效率和稳定性具有重要意义。
质子交换膜燃料电池水、热、气管理
质子交换膜燃料电池水、热、气管理
崔东周;肖金生;潘牧;袁润章
【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2004(034)005
【摘要】质子交换膜燃料电池的水、热、气管理对其性能和寿命有非常重要的影响.讨论了水、热、气管理的主要措施和它们对电池性能的影响.分析表明:对质子交换膜燃料电池物理机制认识的不足,是水、热、气管理水平较低的原因.应建立质子交换膜燃料电池的多尺度、多相、多物理场、动态仿真模型,进行分析、模拟和优化,来提高其性能.
【总页数】3页(P373-375)
【作者】崔东周;肖金生;潘牧;袁润章
【作者单位】武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北,武汉,430070;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北,武汉,430070;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北,武汉,430070;武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,湖北,武汉,430070
【正文语种】中文
【中图分类】TM911.42
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质子交换膜燃料电池
阴极主要由气体扩散层、催化剂层和 质子交换膜组成。气体扩散层的作用 是提供氧气并传导电子，催化剂层促 进氧气的还原反应，产生电流和水。
阳极
总结词
阳极是燃料电池中的燃料反应区，负责提供燃料（如氢气）和电子，同时排出 反应产物。
详细描述
阳极的结构与阴极类似，也由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。气体 扩散层提供燃料气体并传导电子，催化剂层促进燃料电化学氧化反应，产生电 流和水。
寿命有限
质子交换膜燃料电池的寿命通常在几 百到一千小时左右，需要定期更换或 维修。
需要加湿
质子交换膜燃料电池需要加湿以保持 其性能和稳定性，增加了系统的复杂 性。
04
PEMFC的研发与进展
当前研究重点
提高能量密度
01
通过改进电极材料和催化剂，提高燃料电池的能量输出密度，
以满足实际应用需求。
降低成本
质子交换膜燃料电池
• 质子交换膜燃料电池简介 • PEMFC的组件与结构 • PEMFC的优缺点 • PEMFC的研发与进展 • PEMFC的未来展望
01
质子交换膜燃料电池简介
定义与工作原理
定义
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将化学能转化为电能的装置，使用质子交换膜作为电解质，通过氢气和氧 气的化学反应产生电流。
详细描述
双极板通常由导电材料制成，如石墨或金属复合材料。它们 需要具有良好的导电性能和机械稳定性，以承受燃料电池运 行过程中的压力和温度变化。双极板的设计和制造对于提高 燃料电池的性能和可靠性至关重要。
03
PEMFC的优缺点
优点
环保
只产生水蒸气作为排放物，是 一种零排放的能源。
安静
运行时噪音很小，适合用于需 要安静环境的场合。
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精品
PEMFC 的水、热管理问题
水、热管理是PEMFC 发电系统的重要环节之一。
水管理
电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。不
同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产
生了PEMFC 发电系统的水、热管理问题。通常情况下，电堆均需使用复杂的纯
水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子
能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出，以防电极“淹死”。
由于PEMFC的运行温度一般在80℃左右，此时PEMFC 的运行效能最好，因此反
应气体进入电堆前需要预加热，这一过程通常与气体的加湿过程同时进行；电堆
发电时产生的热量将使电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施，以保持PEMFC
电堆工作温度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节，并用计算机
进行协调控制。
热管理
冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理PEMFC发电机运行产生的热量，保障
电站环境不超温。将PEMFC发电站的余热进行再利用，如用于工程除湿、空调、
采暖或洗消等，实现电热联产联供，可大大提高燃料利用效率，具有极好的发展
与应用前景。
为了确保PEMFC电堆的正常工作，通常将电堆、H2和O2处理系统、水热管
理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成，构成PEMFC发电机。根据不同负
载和环境条件，配置H2和O2存储系统、余热处理系统和电力变换系统，并进行
机电一体化集成就可构成PEMFC发电站。
PEMFC的存储装置
通常，PEMFC发电站由PEMFC发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障
系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站自
动控制系统构成。
氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发电量确定。氢气存储
方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有多种，主要按电站
所处环境条件及技术经济指标来决定。氢气存储是建设PEMFC发电站的关键问题
之一，储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。空气供应保障
系统对地面开放空间的PEMFC应用(如PEMFC电动车)不成问题，但对地下工程或
封闭空间的应用来说却是一个十分重要的问题，如何设置进气通道必须进行严格
的论证。氢气安全监控与排放装置是氢能发电站的一个特有问题，由于氢气是最
轻的易燃易爆气体，氢气储存装置、输送管道、阀门管件、PEMFC电堆以及电堆
运行的定时排空都可能引起氢气泄漏，为防止电站空间集聚氢气的浓度超过爆炸
极限，必须实时检测、报警并进行排放消除处理。氢气安全监控与排放消除装置
由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成，传感器必须
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精品
安装在电站空间的最高处。
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精品
电气系统根据工程整体供电方式和结构对PEMFC发电机发出电力进行处理
后与电网并联运行或/和直接向负载供电，涉及潮流、开关设备、表盘和继电保
护等。采用PEMFC发电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电方式，因此
其电气及变配电系统是一个值得深入研究的问题。
电站自动化系统是为保障PEMFC发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计
算机参数检测与协调控制的自动装置，一般应采用分布式控制系统(DCS)或现场
总线控制系统(FCS)。主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器，通讯总线
和控制器，并提供向工程控制中心联网通讯的接口。主要功能包括参数检测、显
示、报警，历史数据存储，故障诊断，事故追忆，操作指导，控制保护输出和数
据信息管理等，是PEMFC 电站信息化、智能化的核心。
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