质子交换膜燃料电池基本结构简介

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-2-2质子交换膜燃料电池膜电极组示意图3.双极板双极板是构成质子交换膜燃料电池质量和体积的主要部分。质子交换膜燃料电池的双极板结构应具有如下功能① 收集传导电流作用。质子交换膜燃料电池双极结构板应具有以下特点① 双极板必须是热的良导体。

质子交换膜燃料电池采用聚合物电解质膜作为电解质，所以其也可以称为聚合物膜燃料电池或简称为膜燃料电池。质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜、膜电极组和双极板等组成，如图6-2-1 所示。

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图6-2-1　膜电极的结构

1.质子交换膜

质子交换膜是质子交换膜燃料电池中的关键部分。因为用质子导电聚合物做电解质，所以才这样为这种燃料电池命名。组成质子交换膜的基本材料是聚乙烯，其中的氢被氟取代成聚四氟乙烯，氟和碳之间的化学键使膜非常耐用，并且抗化学反应，再添加亚硫酸能够把H+离子吸收到电解质中，这种材料是由杜邦公司制造的。

当质子在质子交换膜中传导时，往往是以水合质子的形式进行的。水在膜中起着很重要的作用。质子在膜中的传导率随含水量的增加而增加，近似成正比变化，而随温度的变化是一种非线性关系。通过研究表明，含水量高时，膜充分溶胀，质子在离子簇内传递要跃过的能垒与在通道内的能垒相同；低水含量时，通道变得狭窄，质子在通道内传递要跃过的能垒高于在簇内的能垒，这样就导致部分质子在通道两端聚集，形成微电容。高频时，膜的电容阻抗相当于纯电阻。温度高而导致缺水时，会大幅度增加膜的阻抗，导致无法正常工作。聚合物质子交换膜的主要性质有以下几点。

① 能抗化学反应，热稳定性和化学稳定性高。

② 有良好的力学性能，具有足够的强度和柔韧性，有很强的化学键，因此用它们可以制成极薄的膜。

③ 具有较高的含水量，可以吸收大量的水。

④ 有较高的质子电导率和电子绝缘性。如果膜含有充足的水分，它们所吸收的氟离子就可以很好地通过膜。

2.膜电极组

质子交换膜燃料电池的性能在很大程度上取决于膜电极组，因为这是燃料电池的核心部分。电解质膜被夹在阳极和阴极之间，电极包括催化剂颗粒和气体扩散层，如图6-2-2所示为质子交换膜燃料电池膜电极组示意图。

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图6-2-2　质子交换膜燃料电池膜电极组示意图

3.双极板

双极板（也称为流场板）是构成质子交换膜燃料电池质量和体积的主要部分。不但影响质子交换膜燃料电池的性能，而且还影响其成本，它的主要作用是分隔氧化剂和还原剂，收集电流，引导反应气体均匀分布。常用的双极板材料是无孔石墨板、表面改性的金属板、复合双极板等。在燃料电池电堆中，阳极流场板与阴极流场板背对背制作在一起，即为双极板。

制作双极板的材料要求加工工艺成本低、质量轻、板材薄、力学性能良好、表面和体积电导率高、透气性低、耐腐蚀性好。所以，双极板选取合适的材料和制备工艺技术可以极大地改善质子交换膜燃料电池的性能。

（1）质子交换膜燃料电池的双极板结构应具有如下功能

① 收集传导电流作用。因为燃料电池的电压低、电流大，内阻影响很大，所以必须采用导电性良好的电导体，以保证高效率和低废热。

② 将氧化剂和还原剂分隔开来，并使反应物均匀分配到电极各处，然后传送到电极催化剂层进行电化学反应。

③ 移除电化学反应中产生的水，加湿反应气体。

④ 能够很好地传导反应过程中产生的热量，防止电池局部温度过高。

（2）质子交换膜燃料电池双极结构板应具有以下特点

① 双极板必须是热的良导体。质子交换膜燃料电池的热管理对其性能影响很重要，在燃料电池运行的过程中，要保证其内部各处温度稳定并均匀分布，工作中产生的废热能够快速排出。为了让反应气体、冷却水和反应物更快更好地传递，在双极板的表面刻出诸多的流道。

② 双极板必须具有良好的抗腐蚀能力。由于质子交换膜燃料电池工作条件是酸性电解质，为了保证其能够保持长久的稳定性能，双极板必须具备抗电化学和化学腐蚀的能力。

③ 双极板材料应该具备质量轻、强度高和韧性好的特点，且适于批量加工。

④ 双极板要能够很好地分配气体和液态水。在不同的工作条件下，双极板的流场设计是关键，其目的是保证气体分配和水管理满足应用的要求。

⑤ 有加热板或冷却板。加热板或冷却板可用于加热或冷却燃料电池，这样能够保证质子交换膜燃料电池保持在最佳工作性能温度附近。加热板通常使用欧姆（电阻）热，当空气冷却不足时才使用冷却板，利用液体（例如水）循环来对电池堆进行冷却。