PEFC燃料电池中电解质的水合作用问题分析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：我们继续研究PEFC燃料电池，它的电解质是固态的，由聚合物膜制成。对于这种电解质来说，需要确保膜充分的水合作用，以获得良好的离子转移性能。如果膜发生水淹，反应气体到催化剂界面的路径就会被阻塞，而此时如果有电流需求，就会导致电池外电压迅速且大幅度地下降。此时的电流需求如果仍保持不变，就会导致膜电阻增加，电池外电压也相应地下降。2）质子从阳极向阴极迁移的过程中，水也转移到阴极，这种现象称为“电渗透”。

我们继续研究PEFC燃料电池，它的电解质是固态的，由聚合物膜制成。对于这种电解质来说，需要确保膜充分的水合作用，以获得良好的离子转移性能。干聚合物膜的离子传导率很低，但经过水合之后，传导率能够快速增长（Nafion膜几乎可吸收自重20%的水）。此外，当膜周围存在一层水膜时（每个质子外环绕着2～5个水分子），质子可以在电场力的作用下迁移（继而形成电流）^{[MOR 03]}。然而，必须保持膜的水量平衡，因为如果水量控制不当，电解质膜就会存在着水淹或者脱水的风险。如果膜发生水淹，反应气体到催化剂界面的路径就会被阻塞，而此时如果有电流需求，就会导致电池外电压迅速且大幅度地下降。如果膜脱水，电解质膜的质子传导率就会下降，甚至不能迁移。此时的电流需求如果仍保持不变，就会导致膜电阻增加，电池外电压也相应地下降。电池控制系统的一个主要功能就是通过测量电压（既可以是电堆电压，也可以是单体电压）来防止膜水淹或脱水现象的发生。如果检测到电压过低，则应停止运行以避免系统进一步恶化。PEFC燃料电池内部的水循环如图7-5所示。