(论文)燃料电池发电性能影响参数研究
目录
摘要............................................................................... II Abstract ............................................................................ III 1 绪论.. (1)
1.1 引言 (1)
1.2 PEMFC氢能发电研究展望 (2)
1.3 课题研究意义 (2)
2 PEMFC的研究现状 (3)
2.1 PTFE和Nafion含量对燃料电池性能的影响 (3)
2.2膜厚度对PEMFC性能的影响 (3)
2.3气体扩散层对PEMFC性能的影响 (4)
2.4催化层对PEMFC性能的影响 (5)
2.5流场结构对PEMFC性能的影响 (5)
2.6湿度对PEMFC性能的影响 (6)
2.7环境条件对燃料电池性能的影响 (7)
3 PEMFC建模 (8)
3.1 COMSOL Multiphysics的特点介绍 (8)
3.2 PEMFC的模型建立 (8)
3.2.1 模型假设 (8)
3.2.2 传输方程 (8)
3.2.3 求解方程的选择 (8)
3.2.4 定义物理常数 (9)
4 PEMFC发电性能的研究 (12)
4.1气体扩散层的孔隙率对PEMFC的影响 (14)
4.2催化层厚度对PEMFC的影响 (15)
4.3工作温度对PEMFC的影响 (16)
4.4压力对PEMFC的影响 (17)
5总结 (19)
参考文献 (20)
致谢 (22)
摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有功率密度高、工作温度低、起动时间短、采用了无毒性的固态电解质不发生泄露等优点。因此，对PEMFC的研究是当今一项重要的课题。
本文首先简单介绍了运用COMSOL Multiphysics对PEMFC的建模。之后运用建立好的模型，分析了不同的孔隙率、催化层厚度、工作温度、压力对PEFMC发电性能的影响。最后得出结论：（1）高孔隙率可提高气体扩散，有利于提高PEMFC的发电性能；（2）提高催化层厚度有利于提高PEMFC的性能；（3）提高工作温度有利于提高PEMFC的发电性能，但不可超过80℃；（4）增加气体压力有利于提高PEMFC的发电性能，但考虑到经济因素，一般把最佳压力控制在0.2MPa。
关键词：PEMFC；发电性能；COMSOL Multiphysics
Abstract
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has the advantage of high power density, low operating temperature, short start time, using non-toxic solid electrolyte and so on. Today, the study of PEMFC has became an important topic.
First, this thesis introduces modeling of PEMFC through using COMSOL Multiphysics. Then, this thesis analyzes the performance of PEFMC under different porosity, catalyst layer thickness, operating temperature and pressure by using the well-established model. And the conclusion is:
(1) High porosity can improve gas diffusion, help to improve the power performance of PEMFC;
(2) Increase the thickness of the catalyst thickness can improve the performance of PEMFC; (3) Improve operating temperature is helpful to improve the electricity performance of PEMFC, but not more than 80℃; (4) Increase the gas pressure can improve the power performance of PEMFC. But considering the economic factors, we generally control the best pressure in 0.2 MPa.
Key Words:PEMFC; electricity performance; COMSOL Multiphysics
1 绪论
1.1 引言
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ，PEMFC)是通过膜电极MEA 中气-液-固三项界面的传质、传热而发生电化学反应产生能量的能量转换装置，由于单电池的输出功率较小，在实际中通常以串联的方式存在。单电池主要由阴/阳气流通道、阴/阳极扩散层、阴/阳极催化层、质子交换膜等七个主要组件构成。在其组件中质子交换膜是PEMFC 的核心组件，其性能的好坏直接影响电池的输出性能、工作特性、效率及寿命。
质子交换膜燃料电池发电在原理上相当于水电解的“逆”装置。阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。
其反应方程式为：
阳极：H 2→2H ++2e - （1） 阴极：2
1O 2+2H ++2e -→H 2O （2） 总反应：H 2(g)+2
1O 2(g)→H 20(l) （3） 以阳极为参考时，阴极电位:
V E O 23.102= (4)
由于质子交换膜只能传导质子,因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。质子交换膜燃料电池单体电池空载输出电压理论上为1.23V ，负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5-1V 之间。将多个质子交换膜燃料电池单体电池层叠组合就能构成满足实际负载需要的PEMFC 电堆。质子交换膜燃料电池发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；PEMFC 发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。
本文主要的研究方向便是讨论各项参数对PEMFC 发电性能的影响。影响PEMFC 发电性能的参数可分为结构参数和运行参数。结构参数又包括膜厚度、气体扩散层形态、孔隙率等；运行参数又分为操作温度、湿度、电池工作压力等。本文通过COMSOL Multiphysics 软件，运用已建好的PEMFC 模型，得出了在不同条件下的极化曲线，并根据极化曲线研究讨论了各种条件对PEMFC 发电性能的影响。
1.2 PEMFC氢能发电研究展望
PEMFC 氢能发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，PEMFC 用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型PEMFC 便携电源和小型PEMFC 移动电源已达到产品化程度，中、大功率PEMFC 发电系统的研究也取得了一定成果。由于PEMFC 发电系统有望成为移动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究。就备用氢能发电系统而言，除PEMFC 单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外，其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术，PEMFC 发电机电气输出补偿与电力变换技术，PEMFC 发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术，适应环境要求的空气（氧气）供应技术，氢气安全监控与排放技术，氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用PEMFC 氢能发电电热联产联供系统，以及PEMFC 氢能发电站建设技术等等。采用PEMFC 氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型PEMFC发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。
1.3 课题研究意义
由于世界能源危机和环境污染日益严重, 燃料电池以其高效、清洁、安全、可靠等突出优点而受到各国政府和研究机构的广泛关注。燃料电池（Full Cell）
是一种直接将储存在燃料(H
2)和氧化剂(O
2
)中的化学能通过反应转换成电能的装
置。在各种类型的燃料电池中, 质子交换膜燃料电池池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)因具有功率密度高、工作温度低、起动时间短、采用了无毒性的固态电解质不发生泄露等优点，在电动汽车、可移动电源及小型电厂等方面有着巨大的市场潜力PEMFC的性能与许多因素有关，提高PEMFC的性能是燃料电池研究领域的一项重要课题。
2 PEMFC的研究现状
2.1 PTFE和Nafion含量对燃料电池性能的影响
提高膜电极性能的一个重要的指导思想是在催化粒子周围形成良好的质子、电子和气体通道。催化层内憎水材料聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）形成憎水孔，为气体传递提供通道，减小传质过电位，但是过多的PTFE 将增大电子传输阻力；催化层内浸入质子导体Nafion，为质子传递提供通道，增大活化反应界面，提高催化剂的利用率，但过多的Nafion将减少气体通道，增大气体传递阻力。对于PTFE 和Nafion的最佳含量，不同的文献有不同的报道。李建玲研究认为，在7%的Nafion含量时使电池性能达到了较好的效果，而当Nafion 含量确定之后，PTFE含量的影响则比较小。丛文博等人则认为，PTFE的最佳含量为35%～40%，Nafion含量为1mg/cm2。于景荣认为电极立体化的Nafion含量为
0.9mg/cm2时性能最佳。
2.2膜厚度对PEMFC性能的影响
一般认为，降低电解质膜的厚度、使膜处于良好的润湿状态将会降低电池的内阻，从而有利于提高PEMFC的工作性能。随着膜厚度的降低，U 0值降低，tafel 斜率变化不明显，厚膜组装电池的极化曲线在低电流密度时就偏离了线性，其主要原因是质子传质极化引起的。图2-1所示为交指流场PEMFC采用不同厚度的质子交换膜时的极化曲线。由图可见，随着膜厚度的减小，相同电压下的电流密度增大，电池的性能有所改善。这是因为随着膜厚度的减小，膜的电阻也随之减小，膜导电性增强，从而导致电流密度的增加。
图2-1 质子交换膜厚度对PEMFC发电性能的影响
但膜的厚度不能太小，薄膜虽然可以快速达到增湿，但是也容易失去水变干，同时膜的机械强度随膜厚的减小而降低，膜的气体透过率增加，燃料电池性能下降。
2.3气体扩散层对PEMFC性能的影响
PEMFC的气体扩散层（GDL）在电极内一方面起着分散气体、排水、导电、导热和支撑等作用，它为反应气体的进入和反应产物水的排出提供有效的通道。其中的排水性能尤为重要。它影响反应气体的扩散性能，进而影响电池的发电性能。因此应尽力将多余的液态水排出，以保持气体扩散通道畅通。增加气体扩散层的孔径和孔隙率，或减小气体扩散层的厚度都能增加气体有效扩散系数。在低电流密度时，由于反应速度较慢，通过扩散层的气体流量及反应产物的流出量较小，此时孔径、孔隙率和厚度对燃料电池的性能影响较小。然而，增大气体有效扩散系数、减小扩散层厚度可增大电池的极限电流密度，改善电池性能。另一方面,扩散层在电极内还起支撑、集流的作用，当扩散层孔隙率和孔径过大时，扩散层的结构强度将减弱，不能很好地起支撑作用；同时扩散层电导率也会降低，这样电池发电性能就会下降。
另外，具有梯度扩散层的PEMFC的发电性能要优于单一均匀扩散层的性能。詹志刚等人[6]针对具有梯度结构扩散层的质子交换膜燃料电池做了相应的性能研究。他们考虑到孔隙率梯度对扩散层排水性能的影响，设计了4种梯度的数学模型（算例1-算例4），如表2-1所示。不同电流面密度I下扩散层中液态水的相饱和度S如图2-2所示。可以看出，与单一均匀扩散层相比，梯度扩散层的液态水相饱和度明显下降。这说明扩散层的排水性能明显提高，在高电流密度下该性能尤为显著。在大电流密度条件下，由于PEMFC阴极水淹现象比较严重。因此采用梯度结构的扩散层可以大大减少阴极水淹现象，从而提高电池的性能。
表2-1 不同梯度孔隙率的数学模型
图2-2 不同电流面密度下阴极扩散层中液态水的相饱和度
2.4催化层对PEMFC性能的影响
催化剂的性能也是PEMFC性能提升的关键，催化层中催化剂量有一个最适值，过少不能满足电极活化反应的要求，过多将增大气体和质子传递阻力。催化剂的类型对电池性能也有很大影响。研究表明，在Pt催化剂中加入Fe能提高催化剂的电催化性能，其中Pt与Fe摩尔比为1:1时具有较好的催化效果；电流密度在320 mA/cm2以下时，PtFe/C催化剂电极催化性能优于单一Pt/C催化剂；但在表面氧原子浓度较大时，其中的Fe可能发生氧化而使得电极稳定性受到影响。研究发现，在有水淹电极的情况下，疏水的催化层结构有利于提高电池性能；而当没有液态水存在时，亲水的催化层结构有利于提高燃料电池的性能。另外，催化层中的Nafion和Pt/C的比例以及孔的结构、催化层的厚度对燃料电池性能都有重要的影响。
2.5流场结构对PEMFC性能的影响
流场结构包括流道形式和流道结构。
合理的流场既要确保电极各处均能获得充足的反应剂供给，同时又要保证反应产物的排出。与栅状流道相比，蛇行流道的气体分布较均匀，传质也较好，性能比栅状流道好。与传统型流道相比，采用交指型流道有很多优点。一是可以提高反应气体进入催化层以及生产物水排出催化层的速率，二是增加膜的水合状态，提高膜的导电性能；三是可以提高承受直接液态水加湿而不水淹的量，水的
蒸发冷却可以提高燃料电池的热量排出。实验表明,在其他条件相同的情况下，交指型流场的燃料电池性能较传统型流场燃料电池性能好得多。
在一定范围内，随着开孔率的增加，电极与流场本相及接触电阻也逐渐增加。在相同开孔率的情况下，沟槽尺寸越小，电池性能越好。不同尺寸的流场采用氧气作为反应介质时，在一定范围内，开孔率越大，电池性能越差；而采用空气作为反应介质时，在一定范围内，开孔率越大，电池性能越好。出现这种现象的原因是由于氧气作为反应介质时，气体传质对电池性能影响不太明显，此时起主要作用的是内阻；而采用空气作为反应介质时，由于氧气分压下降，扩散层的传质好坏对电池性能起主要作用。由于采用石墨板作为流场，与电极接触部分几乎是不透气的，该部分气体传质受很大影响，这导致了开孔率越低，性能越差。而在开孔率相差不大时，流场的沟槽截面积越小，电流分布越均匀，即沟槽产生的电流经流场的脊导出时流经的距离短，这样电池内阻小，因而导致了电池的性能就越好。
2.6湿度对PEMFC性能的影响
谢晋、黄允千[5]通过实验得出了不同湿度下PEMFC发电性能的变化。
PEMFC在工作过程中，从阳极形成的氢离子将透过质子交换膜至阴极。质子必须与水结合，才能透过膜到达阴极。透过膜的质子数越多，与质子一起从阳极到达阴极的水也就越多。还有，由于水的渗透，质子交换膜阳极侧的水减少，在阴极一侧，由于水的渗透和反应生成的水，使得阴极的水增多。在实际工作中，水总是从质子交换膜的阳极侧渗透到阴极侧，导致膜的阳极侧脱水。一旦质子交换膜失水，其电导率下降，电池的欧姆压降也会增大，催化剂的活性也会降低。为了使膜不失水，就要想办法在阳极侧补充因迁移而减少的水量，阳极氢气必须进行增湿。如果以空气代替纯氧，空气中的氧气含量较少，为得到较高的氧气浓度，一般都要增大空气的流速，没有加湿的气体使得阳极到阴极的水迁移量更大，导致质子交换膜在阳极失水更严重，因此，阴极空气也必须进行增湿。
图2-3是在室温20℃ , 室内相对湿度75%，氢气流量6.5L/min，氢气压力为0.15MP的条件下，不同湿度时燃料电池的电压-电流密度曲线。
图2-3 不同湿度的电压-电流密度曲线
从图4-2可以明显看出在相对湿度为100%、80%、50%时燃料电池性能的变化。气体湿度越大，其相同电流密度下的电压就越大。随着湿度的减小，斜率变大，说明内阻增大，影响了燃料电池的性能。
对气体的增湿要有限度，要严格控制气体增湿的程度，不要过量，否则会淹没电极，破坏电化学反应，导致燃料电池不能正常工作。应根据实际情况调节燃料电池的进气湿度，使燃料电池的性能得到提高。
2.7环境条件对燃料电池性能的影响
环境温度、湿度等条件对质子交换膜燃料电池的性能有很大影响，随着相对湿度的增加，燃料电池的最大输出功率显著提高，当相对湿度小于30%或者当环境温度降低至10℃以下时，PEMFC的性能严重下降。除了上面讨论的因素以外还有一些其它因素也会影响燃料电池性能。LiPW指出，燃料电池性能还受燃料电池阴极面方向的影响，他通过理论和实验同时证明当燃料电池阴极面向上时性能最好，向下时最差。需要注意的是燃料电池是一个多相、多尺度、多物理场、动态复杂系统，必须协调各个影响因素的关系，提高燃料电池的性能。
3 PEMFC建模
3.1 COMSOL Multiphysics的特点介绍
COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，由瑞典的COMSOL公司开发，广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，适用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场直接耦合分析能力实现了任意多物理场的高度精确的数值仿真，在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
COMSOL Multiphysics提供多种可供选择的模块。因此，应用COMSOL Multiphysics软件对燃料电池发电性能影响参数进行设计与实验，可以更为方便的对发电性能影响参数进行分析与预测，从而达到对发电性能影响参数性能研究的目的，具有很大的可行性和实用性。
3.2 PEMFC的模型建立
3.2.1 模型假设
PEMFC主要包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、流道和集流板等部件, 其性能计算假设如下:
（1）气体是理想气体；
（2）流动是不可压的层流；
（3）集流板、催化层和膜各向同性；
（4）电池在80℃下稳定工作。
3.2.2 传输方程
燃料电池内部的主要控制方程包括：质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和电荷守恒方程，同时考虑电化学反应、水的相变和液态水的毛细传输。
3.2.3 求解方程的选择
在设置求解计算参数前，要先从图2-1所示的窗口中选择好模型用到的方程，并且对方程的未知数进行设置。
图3-1 COMSOL Multiphysics的操作界面
在图3-1所示的菜单中选择COMSOL Multiphysics/ Electromagnetics/ Conductive Media DC方程，Chemical Engineering Module/ Momentum balance/Darcy’s Law选择Darcy定律方程，和Chemical Engineering Module /Mass balance/Maxwell-Stcfan Diffusion and Convection。选择完之后单击添加，把方程添加到模型中。
3.2.4 定义物理常数
在选择完求解方程之后，还要定义物理常数，界面如图3-2所示。
图3-2 参数设置界面
表3-1为建模中做用到的参数：
表3-1 模型用到的物理常数及物理意义
4 PEMFC发电性能的研究
PEMFC的发电性能是通过极化曲线来体现的。通过调节自己设定的参数（constant 或expression）中的操作参数，或者结构参数（改变几何模型的数值）来得到不同的极化曲线，以此来比较参数大小对性能的影响。
性能曲线的输出，需要在求解器的选择上选择parametric（参数的）求解器，然后设定parameter name（参数名）和parameter valuers（参数值）。如图4-1所示。
图4-1 求解器设置
极化曲线为电压[V]与电流密度[mA/cm^2]的曲线。所以在parameter name （参数名）处输入Vcell，parameter valuers（参数值）中的0.95:-0.07:0.25表示代表从Vcell=0.95V开始计算，每次递减0.07，计算到0.25V为止。
之后进行求解过程的设置。solver manager（求解器参数）中，在initial （初始值）中选择initial value expression（初始值表达式），点击Apply（应用），在Solver中选择如图3-2。点击Apply（应用）。在Script中点击Add Current Solver Settings，点击Apply；返回initial Value，在initial中选择current soultion，点击Apply，在Solver for中选择全部，点击Apply，在Script中点击Add Current Solver Settings，点击Apply，即可进行求解。
图4-2 求解过程设置
最后，在后处理菜单中选择全域变量图（如图4-3），点击确定，即可得出所需的性能曲线。
图4-3 全域变量图
4.1气体扩散层的孔隙率对PEMFC的影响
运用COMSOL Multiphysics模拟分析了PEMFC在大气压下、工作温度为343.15K（70℃）时的性能。图3-4为扩散层孔隙率分别为0.4、0.5、0.6、0.7时PEMFC的极化曲线。
图4-4 PEMFC在不同的气体扩散层孔隙率下的极化曲线由图4-4可以看出，在相同的电压下，孔隙率越大，电流密度也就越大。高孔隙率促进气体的扩散过程，降低气体浓度梯度，降低脊部效应，降低电流密度梯度，提高电池性能。由此可见，适当的扩大孔隙率可以提高PEMFC的发电性能。
4.2催化层厚度对PEMFC的影响
适当的增加催化层的厚度也可以提高PEMFC的性能。图4-5是运用COMSOL Multiphysics模拟分析的不同催化层厚度下PEMFC的极化曲线。工作条件是正常大气压下，工作温度为343.15K（70℃）。在相同的电压下随着催化层厚度的增加，电流密度也相应的增加。
图4-5 不同催化层厚度下PEMFC的极化曲线
催化层厚度太低会使其性能下降。在Pt 载量和电解质提及含量一定的条件下，催化层厚度降低到一定程度会导致催化层孔隙率明显下降，进而严重影响O 2传递过程，造成催化层的整体性能恶化，从而降低了PEMFC 的性能。因此催化层的厚度要适当，过大或过小都会降低其性能。
4.3工作温度对PEMFC 的影响
在影响PEMFC 的参数中, 温度对电池的影响十分显著。根据能斯特方程, 燃料电池的开路电压U 与电池温度T 的关系式如下:
c
a H p H p F RT U )()(ln 422= （5） 式中: R 为气体常数,其值为8.314J/mol ?K ；F 是法拉第常数，其值为96485C/mol ；T 为热力学温度；a H p )(2和c H p )(2分别是阳极与阴极处的氢气压力。从式（5）可以看出，在相同的气体压力下，燃料电池的电压与电池温度呈线性增长关系。实际上，随着温度升高, 电催化剂铂的活性提高, 而且氢、氧反应气体的扩散速度也相应加大，因此电化学反应的速度增大；高温有利于阴极反应生成的水排出，克服了电极淹没问题；质子交换膜内水的扩散也加快，使水在质子交换膜内的分布趋于均匀，加快了质子的传导，同时电解质的欧姆阻抗降低，使电池内部电阻降低，从而增强了燃料电池的放电性能，提高化学能至电能的转化效率。
图4-6是在不同工作温度下绘制出来的PEMFC 的极化曲线。
图4-6 不同温度下PEMFC 的极化曲线
从图4-6可以明显看出, 随着温度的升高, 相同电流密度下的电压增大。随着电池堆温度的降低, 斜率增大, 说明内阻增加, 影响了燃料电池的性能。
运行温度对燃料电池来说是一个重要的运行参数，一般认为提高温度有利于改善电池的性能。提高温度可以使电催化剂Pt的活性提高,活化过电位较低，反应速度加快；质子交换膜内水的扩散系数增加，阴极氧气活化反应生成水向阳极扩散速度加快，从而使质子交换膜内水分布均匀，电极淹没问题不会出现，同时质子传递速度也加快, 膜电阻将减小、电导率增大；氢气和氧气的扩散系数加大，改善了电极内气体传质。然而在低电流密度下不宜采用高温运行，因为在高温运行时，水的蒸发量增加，而在低电流密度下生成的水量又较少，以致膜没有达到完全润湿，这就导致电池活化面积减少，所以性能较差。
但是，目前PEMFC广泛采用的是Nafion膜，耐温程度有限，工作温度一般在0-80℃，超过这个温度，其热稳定性和质子传导性能严重下降，对燃料电池的性能有很大的影响。此外，工作温度升高会影响燃料电池内部的湿度，温度过高会造成膜脱水，导致质子交换膜的湿度不够，从而使质子交换膜的传导率降低。因此应该根据实际情况严格控制PEMFC的温度在正常范围之内，在正常范围之内再找到合适的点，使PEMFC的性能达到最佳。
4.4压力对PEMFC的影响
图4-7 不同压力下PEMFC的极化曲线
图4-7是质子交换膜燃料电池工作温度为343.15K（70℃）时，阴/阳极进气压力分别为0.10MPa、0.12MPa、0.14MPa、0.16MPa时的极化曲线。
图3-7表明，提高压力有利于提高电池性能。从反应机理上看，H
2和O
2
首先通
燃料电池实验报告
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： 光能→太阳能电池→电能→电解池→氢能（能量储存）→燃料电池→电能 3、测量燃料电池输出特性，做出所测燃料电池的伏安
燃料电池论文
机自1005 白阳 1010311001 燃料电池的发展 燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。近20多年来，燃料电池经历了碱式、磷酸、熔融碳酸盐和固体电解质等几种类型的发展阶段。美、日等国已相继建立了一些碳酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂和质子交换膜燃料电池电厂。燃料电池的结构与普通电池基本相同，有阳极和阴极，通过电解质将这两个电极分开。与普通电池的区别是，燃料电池是开式系统。它要求连续供应化学反应物，以保证连续供电。其工作原理：燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 由于FC具有不受卡诺循环限制，能量转换效率高,燃料电池的输出功率由单电池性能、电极面积和单电池个数决定,环保问题少,负荷应答速度快，运行质量高等优点，在50~60年代呈现第一个研制高峰，那时侧重于发展碱性FC，尽管后来未曾象预期的那样在交通工具及大型电厂获得应用，但是FC在航天飞行中取得的成功足以证明它所具有的突出优点。70年代初，由于投资减少，FC研究进入低潮。70年代末，由于材料科学的进展和世界性的能源紧缺，开发新的发电技术，提高石油、天然气和煤炭等矿物燃料的利用率又成为人们关注并具有深远意义的课题，这样FC研究又呈现第二个高潮，此时则侧重于发展磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。现在，燃料电池作为继水力、火力和原子能之后的第四代电源止受到世界的瞩目。 熔融碳酸盐燃料电池主要是由阳极、阴极、电解质基底和集流板或双极板构成: (1)阳极 MCFC的阳极催化剂最早采用银和铂，为降低成本，后来改用了导电性与电催化性能良好的镍。但镍被发现在MCFC的工作温度与电池组装力的作用下会发生烧结和蠕变现象，进而MCFC采用了Ni-Cr或Ni-Al合金等作阳极的电催化剂。加入2%~10%Cr的目的是防止烧结，但Ni-Cr阳极易发生蠕变。另外，Cr还能被电解质锂化，并消耗碳酸盐，Cr的含量减少会减少电解质的损失，但蠕变将增大。相比之下，Ni-Al阳极蠕变小，
电动汽车技术毕业论文
由于世界石油资源日趋贫乏和大气污染日益严重,因此即大量消耗能源又产生大量有害废气的传统汽车,自然而然成了全世界人类关注的焦点。中国文库网为大家带来的电动汽车技术毕业论文，希望能帮助到大家! 电动汽车技术毕业论文 摘要近年来随着经济发展，我国已迈进汽车社会。汽车保有量迅速增加，导致环境严重污染、交通堵塞等严重问题，因此，为了建设资源节约、环境友好的和谐社会，倡导并鼓励研发、使用环保节能的新能源汽车―电动汽车。 关键词电动汽车动力能源燃料电池 前言 在污染日益严重、能源日益缺乏的今天，电动汽车的出现给人们带来了新的希望，可以形象地把它称为21世纪的交通工具、明日之星。 电动汽车是一种高新技术产品，它集光、电、机、化等各学科领域中的最新技术于一体，是汽车、电力拖到、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成物。从外形上看，电动汽车于常见的
汽车并没有什么区别，它们的区别主要在于来自蓄电池。汽车行驶时，蓄电池电流通过控制器输入到电机中，电机输出扭矩，经离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器、半轴等驱动车轮转动。电动汽车在行驶过程中，不排出任何污染物，噪声也很小，而且不仅不消耗汽油、柴油等石油产品，还可应用多种能源，具有结构简单、使用维修保养方便的特点，是一种新型的交通工具。 电动汽车定义 电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。驱动电动汽车的电力常见的有各种蓄电池，燃料电池、太阳能电池等。 电动汽车分类 电动汽车的种类纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)。 1纯电动汽车 纯电动汽车(BEV)由电动机驱动的汽车。电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。
燃料电池与锂电池的性能优劣对比
燃料电池与锂电池的性能优劣对比 传统铅酸电池。铅酸电池比能量低，在新能源车重所需要占用的整体质量以及体积比较大，一次充电可行驶的历程比较短；使用寿命短，且后期使用成本高。此外，铅酸电池充电时间长，铅是重金属，存在污染，与新能源动力车的概念背道而驰。 锂电池在手机、计算机等设备中大量使用。燃料电池则是为了电动/混动车而诞生。利用氢氧化学反应产生电能，其燃烧产物为水和极少量二氧化碳，几乎对环境没有影响。那么对于电动车来说，究竟该选择锂电池还是燃料电池呢？谁也没有定论，不过我们可以通过以下几组对比来对这两类电池有所了解。 成本 成本高、制氢过程复杂成为燃料电池发展的主要障碍。氢气通过电解或蒸汽重组的方法得到。不过这两种方法成本颇高，制造同样质量的天然气所需的成本为制氢的1/2甚至1/3。 锂离子电池生产成本相对较低，此外其重复充电利用非常方便，相比其他可携带能源，其具有更高的成本效益。 环境影响 燃料电池和锂离子电池对环境的影响都很小。前者燃烧产物为水，不会产生汽油/柴油燃烧后生成的温室气体。 锂离子电池的放电产物可能由氧化锂、氢氧化锂等，对环境也不会造成影响。此外，锂离子电池可重复利用。 基于以上几点，这两类电池成为了目前最受欢迎的电动车动力源。 材料 燃料电池中利用聚合物膜作为电极，支持氢氧反应后产生电能。聚合物膜必须经过特殊加工，以承受高温和机械应力。 锂离子电池中的锂离子能够吸附电荷，因此电池才拥有储电能力。锂离子的质量很轻，因此是汽车理想的动力源。 潜力 无论燃料电池还是锂离子电池，相关的技术均还有大量进步的空间。如果燃料电池的成本能够降低，则能够真正作为汽油/柴油燃料的替代能源。 对于锂电池来说，如果其能量密度能够进一步提高，循环寿命能够更长，则也是一种非常优秀的驱动能源。 挑战
氢氧燃料电池性能测试实验报告
氢氧燃料电池性能测试 实验报告 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
氢氧燃料电池性能测 试实验报告 学号： 姓名：冯铖炼 指导老师：索艳格 一、实验目的 1.了解燃料电池工作原理 2.通过记录电池的放电特性，熟悉燃料电池极化特性 3.研究燃料电池功率和放电电流、燃料浓度的关系 4.熟悉电子负载、直流电源的操作 二、工作原理 氢氧燃料电池以氢气作燃料为还原剂，氧气作氧化剂氢氧燃料电池，通过燃料的燃烧反应，将化学能转变为电能的电池，与原电池的工作原理相同。 氢氧燃料电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，这一类似于燃烧的反应过程就能连续进行。
工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（氧气）。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。 氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的装置氢氧燃料电池的反应物都在电池外部它只是提供一个反应的容器 氢气和氧气都可以由电池外提供燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锌锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作时需要连续地向其供给反应物质——燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。 具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。最初，电解质板是利用电解质渗入多孔的板而形成，2013年正发展为直接使用固体的电解质。 工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。当氢离子进入电解液中，而电子就沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。此过程水可以得到重复利用，发电原理与可夜间使用的太阳能电池有异曲同工之妙。 燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等。 利用这个原理，燃料电池便可在工作时源源不断地向外部输电，所以也可称它为一种"发电机"。 一般来讲，书写燃料电池的化学反应方程式，需要高度注意电解质的酸碱性。在正、负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系。如氢—氧燃料电池有酸式和碱式两种： 若电解质溶液是碱、盐溶液则
燃料电池的应用及发展状况
简述燃料电池的应用及发展状况 摘要：燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到国内外普遍重视。目前燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力能源方面已得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范，但低成本、长寿命仍是商业化面临的瓶颈问题。而且我国在燃料电池方面的研究与外国还有一定差距，需要科研工作者更多的努力。 关键字：燃料电池分类应用发展状况 1. 燃料电池的概念 燃料电池（Fuel Cell）是一种电化学设备，它直接、高效地将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能。燃料电池的基本物理结构由一个 电解质层组成，它的一边与一个多孔渗透 的阳极相连，另一边与一个多孔渗透的阴 极相连，气态燃料电池连续不断地输入阳 极（负电极），同时氧化剂连续不断地输 入阴极（正电极），在两个电极上发生电 化学反应，产生电流[1]。其基本结构如图 所示： 2. 燃料电池的分类及其优点 随着现代文明发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式存在两大弊病：一是储存于燃料中的化学能要首先转变成热能后才能被转变成电能或机械能，受卡诺循环及现代材料的限制，转化效率低（33~35%），造成严重的能源浪费；二是传统的能源利用方式造成了大量的废水、废气、废渣、废热和噪声污染，严重威胁着人类的生存环境。现代社会所建立起来的庞大的能源系统已无法适应未来社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展正面临着巨大的挑战：能源短缺与环境污染，因此探索新能源以及新的能源利用方式，是全球可持续发展迫切需要解决的重大课题。 燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式将化学能转化为电
新型燃料电池的研究毕业论文
毕业设计（论文）题目名称：新型燃料电池的研究
新型燃料电池的研究Research on new type fuel cells
摘要 能源是经济的的基础。人类为了更有效的的利用能源，一直进行着不懈的努力。利用能源的方式历史上有过多次革命性的变革，每一次变革都极大的推进了社会文明的发展。二次能源中，蒸汽由于传输距离短，难以存储而应用受限；电能虽然传输快、传输距离远，但存在传输过程中存在能量损耗大，难于存储的缺点；而氢能既能远距离传输、又能方便存储，因而成为二十一世纪的理想能源，二十一世纪也被称为氢世纪。多年来人们一直努力寻找既有较高能源效率又不污染环境的能源方式，因而引导出燃料电池发电技术。燃料电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。燃料电池凭借着它独特的优势应用在各个领域，加速了社社会的发展，推进了社会的文明。本文简述了燃料电池技术，各类燃料电池的原理以及它们各自的特点，并介绍目前燃料电池在国内外的应用现状，同时指出目前影响燃料电池商品化的主要因素。 关键词：新能源；燃料电池；高效率；环境保护。
Abstract Energy is the basis of the economy. Human beings in order to make more effective use of energy, has been making unremitting efforts. The history of the use of energy, there have been several revolutionary changes each time changes are greatly promoted the development of our society. Secondary energy in the steam due to short transmission distance, it is difficult to store and the application is limited; electricity transmission faster, the transmission distance, but there is energy loss in the transmission process, difficult to store shortcomings; hydrogen both long-distance transmission. can facilitate the storage, and thus become the ideal energy of the twenty-first century, the twenty-first century is also known as a hydrogen century. Over the years people have been trying to find the energy efficiency of higher energy without polluting the environment, and thus lead to a fuel cell power generation technology. The fuel cell is not directly by the combustion process the fuel chemical energy converted into electrical energy, with the unique advantages of high energy conversion efficiency of the discharge of pollutants. The fuel cell by virtue of its unique advantages of application in various fields to accelerate the social development of society, and promote the social civilization. In this paper, the fuel cell technology, the principle of various types of fuel cells and their respective characteristics, and describes the application of fuel cells at home and abroad, noting that the main factors affecting the commercialization of fuel cell. Keywords: new energy; fuel cell; high efficiency; environmental protection.
机电一体化专业毕业论文
1.0机电一体化技术发展 机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 1.1 数字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 1.2 智能化 即要求机电产品有一定的智能,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在CNC数控机床上增加人机对话功能，设置智能I/O接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 1.3 模块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 1.4 网络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化方向发展。 1.5 人性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 1.6 微型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(Micro Electronic Mechanical Systems，简称MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个微电机以来，国内外在MEMS工艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，开发出各种MEMS器件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 1.7 集成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 1.8 带源化
基于动力学影响因素的质子交换膜燃料电池性能研究
上海交通大学硕士学位论文 目录 摘要 ................................................................................................................I ABSTRACT .................................................................................................... IV 目录 ............................................................................................................ VII 第一章绪论 (1) 1.1 燃料电池的分类 (1) 1.2 PEMFC工作原理和结构 (4) 1.2.1 工作原理 (4) 1.2.2 催化层 (6) 1.2.3 质子交换膜 (11) 1.2.4 气体扩散层 (14) 1.2.5 双极板和流场 (15) 1.3 PEMFC研究发展历史与研究现状 (21) 1.4 本章小结 (24) 第二章实验研究方法 (26) 2.1 实验器材 (26) 2.1.1 电池制作材料 (26) 2.1.2 实验仪器仪表 (26) 2.2 膜电极制作与电池装配 (27) 2.3 电池性能指标测试 (30) 2.3.1 极化曲线测试 (30) 2.3.2 电化学阻抗测试 (30) 2.3.3 塔菲尔斜率测试 (32) 2.3.4 循环伏安曲线测试 (33) 2.4 实验安排 (35) 2.5 本章小结 (35) 第三章阴极Pt载量和背压对PEMFC性能的协同影响规律 (36) VII 万方数据
燃料电池论文
质子交换膜燃料电池的研究开发及应用学院: 化学化工学院 专业：化工与制药 年级：2009级 姓名：韦罗山 学号：200910901157 指导老师：赵彦春教授
质子交换膜燃料电池的研究开发及应 摘要: 介绍了国内外研究质子交换膜燃料电池的整体现状及水平,从电催化剂、膜电极及其制备工艺、质子交换膜等几个方面,综述了质子交换膜燃料电池在材料及部件方面取得的成绩及研究现状,概述了质子交换膜燃料电池目前在电动车、船舶、移动电源等方面的应用情况。提出了我国质子交换膜燃料电池的发展方向。 关键词: 质子交换膜燃料电池电池材料部件研究开发 燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其具有效率高、污染小、建厂时间短、可靠性及维护性好等优点,被誉为是一种继水力发电、火力发电、核电之后的第四代发电技术[ 1 ]。其中质子交换膜燃料电池( PEMFC) 以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题,具有能量转换效率高、无污染、可室温快速启动、寿命长和功率密度高等特点,在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景,尤其是电动车的最佳驱动电源。 质子交换膜燃料电池的研究工作在国外开展较早,起于20世纪60 年代,目前已处于样机研制并向产业化发展,由电堆研究向系统开发发展的阶段[ 2 ]。我国对质子交换膜燃料电池的研究开展于20 世纪90 年代中期,1997 年原国家科委批准了“燃料电池技术”为国家“九五”计划中重大科技攻关项目之一,其中PEMFC 为主要研究项目[ 3 ]。目前PEMFC 已由基础性研究拓展至PEMFC 系统和样机的研制,有望在不远的将来取得可喜成果。 1 质子交换膜燃料电池的整体研究现状及水平 我国对质子交换膜燃料电池的研究工作基本上始于20 世纪90 年代中期,最近两年几个研究单位在质子交换膜燃料电池研究方面取得了巨大的成功。北京理工大学经过几年的探索,在膜电极制备、反应条件控制、反应物和产物流程设计及电池堆的密封性能等方面都取得了显著的进展,在最新几年开始在单电池试验的基础上进行组堆试验,1999 年也已成功组装了电动车用PEMFC 石墨电池堆[ 4 ]。电池堆运行时的平均功率为50W ,峰值功率可达70W。自组装后电池堆稳定运行半年以上性能仍然良好。 中国科学院大连化学物理研究所从1993年开展质子交换膜燃料电池工作的研究[ 5 ],他们于1999 年成功组装了35 对千瓦级质子交换膜燃料电池组[ 6 ] ,该电池组的主要特点是工作温度无须严格控制,电池组可在室温至100 ℃间正常工作。室温启动性能好,电池无须预热升温。 2001年大连化学物理所研制的5～10 kW电池组的输出性能已超过加拿大Bal2lard公司研制的MARK5(5kW)和MARK 513(10kW) ,接近该公司20世纪90年代后期研制MARK700(25～30kW)电池组的性能。大连化学物理所在国际上首创薄金属板改性制备双极板独特工艺,与碳双极板相比更适于批量生
燃料电池综合特性实验报告
燃料电池综合特性实 验论文 作者：宋东辉 学号：03482015010 单位：二十二连二区队A组
燃料电池综合特性实验 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：电能→电解池→氢能(能量储存)→燃料电池→电 能 3.测量燃料电池输出特性，作出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池 输出功率随输出电压的变化曲线。计算燃料电池的最大输出功率及效率 4.测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律 二、实验原理： 1、燃料电池 质子交换膜燃料电池（如上图）在常温下工作，其基本结构如图1所示。 目前广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.05~0.1mm，它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。
膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.2~0.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层。 进入阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜。氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子， 阳极反应为：H2 = 2H++2e （1） 氢离子以水合质子H+（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个璜酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电。 在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水， 阴极反应为：O2+4H++4e = 2H2O （2） 阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能。 总的化学反应如下：2H2＋O2 = 2H2O （3） 2、水的电解 将水电解产生氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气反应生成水互为逆过程。水电解装置同样因电解质的不同而各异，碱性溶液和质子交换膜是最好的电解质。若以质子交换膜为电解质，可在图1右边电极接电源正极形成电解的阳极，在其上产生氧化反应2H2O = O2+4H++4e。左边电极接电源负极形成电解的阴极，阳极产生的氢离子通过质子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H++2e = H2。即在右边电极析出氧，左边电极析出氢。 作燃料电池或作电解器的电极在制造上通常有些差别，燃料电池的电极应利
富氢合成气中杂质气体对质子交换膜燃料电池性能的影响
富氢合成气中杂质气体对质子交换膜燃料电池性能的影响* 钟莹，李专，尹蕾，夏小宝，解东来 ( 华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州 510640) 摘要:质子交换膜燃料电池以其高效、清洁的优点在微型热电联产中广泛应用。利用天然气重整反应制氢是燃料电池最经济的氢气来源之一。研究重整合成气中的杂质气体对燃料电池性能的影响至关重要。设计、搭建了测试合成气体中杂质气体成分对质子交换膜燃料电池性能影响的实验测试系统，研究、考察了含氢合成气中杂质气体 CO2，CH4，N2对质子交换膜燃料电池性能的影响。测试结果表明: 对于所采用的 PEM 燃料电池及试验所采用的杂质气体的浓度范围，这些气体对于燃料电池的性能都有影响。其中 N2对燃料电池的影响是可逆的，CH4和 CO2会对电池造成永久性的损坏。 关键词:质子交换膜燃料电池; 氢气; 极化曲线; 合成气 近几年燃料电池得到了快速发展，相比于其他的能量转换系统，燃料电池具有较高的能量转化率和极少的有害物质排放。目前，燃料电池的主要用途之一是家庭和小型商业的微型热电联产［1 －2］，其中，质子交换膜燃料电池( Proton Exchange Mem-brane Fuel Cell，简称 PEMFC) 在微型热电联产中的应用非常广泛［3］。考虑到目前已有成熟的天然气和液化石油气输配网络，对于微型热电联产，最经济的氢气气源是现场的由天然气或液化石油气通过重整制氢。我课题组目前正在设计和研发 kW 级的基于燃料电池的微型热电联产系统。该系统由燃料处理单元、PEM 燃料电池单元和辅助单元组成［4］。氢气来源是天然气通过氧化重整产生的合成气。合成气中的 CO 通过高温和低温水汽变换反应净化，其浓度分别降低至 2． 0% ～4． 0% ( 体积比，下同) 和 0． 3% ～0． 6%，继而通过选择性氧化反应使 CO 的浓度降低到 10 ×10－ 6以下。在系统的工艺设计中，通过上述净化所产生的天然气重整合成气的体积组成如下: CO: 10 × 10－ 6，CH4: 0． 4%，CO2: 14． 1%，H2: 42． 7%，H2O: 14． 9% ，N2:27． 9%［4］。由上述体积组成可以看书，合成气中除含有 H2外，还有少量的 CO，CH4及大量的 CO2和 N2，这些杂质气体是否会影响 PEM 燃料电池的性能是 kW 级燃料电池设计和使用中的一个关键问题。 目前国内外对于富氢合成气中 CO 对 PEM 燃料电池性能影响的研究比较充分。大家普遍认为 CO 会吸附在燃料电池的催化剂中，导致燃料电池性能的严重下降。为防止 CO 影响燃料电池的性能，合成气中 CO 的体积含量需控制在 10 × 10－ 6以内［5 －8］，这也是在本课题组所研发的 kW 级燃料电池热电联产系统中，将 CO 含量控制在 10 ×10－ 6以内的依据。美国 Argonne 国家实验室的 Ahluwalia 会和 Wang 研究了杂质气体 CO2对燃料电池的影响，提出在燃料电池中，CO2与 H2发生逆水汽变换反应，产生 CO，从而影响燃料电池性能，其研究中所采用的原料气中的 CO2的体积分数在0． 25%以内［5］。我国大连物理化学研究所的俞红梅等人采用模拟重整气研究了 CO2和 N2的稀释作用对电池性能的影响［7］，其合成气中 CO2和 N2的含量分别为 15% ～21% 和 25% ～ 40% 。澳大利亚 Queensland 大学的 Dicks 等探究了以煤层甲烷气为原料生产的富氢合成气中的 N2和 CH4对PEM 燃料电池堆的破坏［9］，其合成气中 N2和 CH4的体积含量分别低于 25%和 0． 3%。实验研究发现，N2对电池的影响主要体现在对燃料气的稀释作用，影响氢气的扩散，而 CO2本身没有毒性，但它会和 H2反应生成 CO 从而使电池性能下降。从以上国内外的研究进展来看，目前对于 CO 对 PEM 燃料电池的影响比较完善，而对于合成气中可能存在的其他成分( 如: N2，CO2，CH4) 对 PEM 燃料电池性能的影响则比较缺乏。本研究集中于富氢合成气中 N2，CO2，CH4对燃料电池性能的影响。 1 实验装置 1． 1 PEM 燃料电池 如图 1 所示，实验所采用的 PEM 燃料电池堆由上海空间电源研究所提供，共由 10 片单电池组成，额定功率为 100 W。电池板的总活性面积为 50 cm2，以 Pt/C( 含 40% Pt) 作阳极和阴极的电催化剂，铂载量为 0． 8 mg/cm2，质子交换膜采用 Nafion212。
燃料电池介绍应用论文
摘要燃料电池以其效率高，排放少，质量轻，无污染而深得人们的关注。本文按燃料电池可用电解质的不同来分类，分别对各类燃料电池的原理，结构，优缺点，发展概况进行综述。 关键词燃料电池电解质电池反应电动车用电源 Abstract The fuel battery is a kind of chemical reactor，which switch the chemical energy to electric energy．Its high efficiency，few dischargement，light weight and no pollution draw public attention．In this article the fuel batteries are classified for different electrolytes，structures，advantages，disadvantages and recent development of different fuel batteries are reviewed． Key word fuel battery electrolyte battery reaction dynamoelectric power supply． 燃料电池和普通电池有很大的差异，它实际上是一个化学反应器。是一种把化学能直接转换成电能的装置。燃料电池没有直接的燃烧过程。而燃料从外部不断输入，它就能不断地输出电能，它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。 燃料电池的种类很多，按电池所用电物质的不同来分类。燃料电池大体上分为：碱性电解质燃料电池(AFC)，高分子电解质燃料电池(PEFC)，磷酸型电解质燃料电池(PAEC)，熔融碳酸型电解质燃料电池(MCFC)和固体氧化物电解质燃料电池(SOFC)5类。本文按电池工作温度由低到高的顺序，对各类燃料电池的发展概况进行综述。
氢燃料电池的特点及应用
氢燃料电池的特点及应用 2009-04-08 16:06出处：比特网论坛作者：lijing【我要评论】[导读]燃料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。 企业数据中心每周热点文章 下载数据中心白皮书赢取指纹U盘下载刀片服务器解决方案赢取ThinkPad笔记本灵活多变的数据中心机柜解决方案(视频) IT管理人员眼中的动态架构 Gartner 电源管理的节能展望云运算开放宣言各方看法不一 料电池技术被认为是取代蓄电池和发电机作为通信行业后备电源的最有前景的技术。美国瑞莱昂(RELION)公司生产的燃料电池作为通信用后备电源进行了详尽的现场测试和数据整理。文中介绍了该测试组的试验情况,这些试验点都是以RELION公司提供的燃料电池作为通信基站的备用电源,进行了历时6个月的现场测试。 1 现在通信站后备电源的解决方案 现在的通信站通常都是由市电供电,采用铅酸蓄电池作为主要的后备电源,其初次投资比较低。但蓄电池的维护及管理成本较高,特别是在环境不好的情况下,成本更高;并且蓄电池使用寿命短;如不能有效监控其工作状况,常常导致蓄电池在真正需要的时候不能有效供电,造成通信中断。 2 燃料电池技术 燃料电池是电化学装置,能够将氢和氧的化学能转变为电能,并且没有污染,无有害物质排放。PEM型燃料电池(质子交换膜燃料电池)由两个电极(阴极和阳极)组成,通过聚合膜联系起来。 气态氢被送到膜的阳极,空气被送到阴极,氢原子在阳极侧被剥离电子,带正电荷的质子穿过膜到达阴极。为使该反应发生,须使用铂金催化剂。氢的电子通过外部回路从阳极到达阴极,产生了电流,在阴极,电子、质子和空气中的氧结合产生水,是燃料电池的主要副产品,如图1所示。 图1 燃料电池的工作原理图 3 燃料电池的优势 (1)无污染。燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式——最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体
风能-氢燃料电池一体化联用系统设计 物理学毕业论文
分类号：TM911.4 U D C：D10621-408-(2012)1985-0 密级：公开编号： 成都信息工程学院 学位论文 风能-氢燃料电池一体化联用系统设计 论文作者姓名： 申请学位专业：材料物理 申请学位类别： 指导教师姓名（职称）： 论文提交日期：
风能-氢燃料电池一体化联用系统设计 摘要 风能为可再生的清洁能源，但储能和上网等环节存在不少问题。氢燃料电池具有绿色环保，效率高，低噪音等特点，还是一种非常好的储能手段。将风能与氢燃料电池联用，是近年来新能源研究和推广的热点。本文研究了氢燃料电池和风力发电机的原理，设计出了一套风电-氢燃料电池一体化联用系统，并配置了电解槽和贮氢装置，使风能和氢燃料电池发挥各自的优势，以达到系统最大的利用。在研究系统运行参数的基础上，本文还对系统进行了进一步优化。本文所设计的风电-氢燃料电池一体化联用系统具有寿命长，易于维护，运行简单等特点。本文的研究将促进风能的利用，进一步推动我国的新能源建设。 关键词:风能；氢燃料电池；一体化；设计
Integration Design of Wind Energy - Hydrogen Fuel Cell Abstract Wind energy is a new renewable energy. But there are some problems for energy storage and energy grid. Hydrogen fuel cell has the characteristics of environment friendly, high efficiency, low noise. And also is a very good energy storage method. In recent years, integrating the hydrogen fuel cell and wind turbines is popular in new energy researching and extension field.The principle of hydrogen fuel cell and wind turbines have discussed in this article. The hydrogen fuel cell and wind turbines have been integrated. An electrolyzer and a hydrogen storage system have been added. The integrating of wind and hydrogen fuel cell can achieve maximum utilization value. The system parameters have been designed for operation. The system optimization measures were discussed. The designed system has a long life, ease maintenance, simple operation. This study is of significance for the further application of wind energy and the construction of new energy Key words: hydrogen fuel cell; wind energy;design; integration
OUC燃料电池综合实验
燃料电池综合实验 王忠成，宋鹏，吴宝兰 中国海洋大学，海洋地球科学学院，地球信息科学与技术专业，山东省青岛市 26610 摘要：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电机。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他电池。燃料电池的燃料氢（反应所需的氧可从空气中获得）可电解水获得，也可由矿物或生物原料转化制成。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。实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用，实验过程清洁环保。 关键词：空气热机；卡诺定理；实际效率 中图法分类号： xxx 文献标志码：A文章编号： 1672-5174(xxxx)xx-xxx-xx 1 实验原理 （1）燃料电池 在电池的两极一端通入氢气另一端通入氧气，通入氢气的一端在催化剂的作用下解离为两个氢离子，即质子，并释放出两个电子，阳极反应为： O 2 =2H++2e （1） 在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为： O 2+4H++4e=2H 2 O （2） 阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能。 （2）2水的电解 将水电解生成氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气的反应生成水互为逆过程。电源正极形成电解的阳极，在其上产生的反应为2H2O=O2+4H++4e。电源负极形成点解的阴极，阳极产生的氢离子通过质子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H++2e=H2。 （3）太阳能电池 P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N 区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩 散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N 区 的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。 当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N 区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光 伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。 2、实验内容及实验步骤 （1）质子交换膜电解池的特性测量 确认水塔水位在水位上限和下限之间，将测试仪的电压输出端串联电流表后接入电解池，将电压表并连接 入电解池两端。 将气水塔输气管止水夹关闭，调解恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底），让电解池迅速的产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止水夹，排除气水塔下层的空气。如此反复 2~3次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下的就是纯净的氢气和氧气了。根据表1中的电解池输入电流的大小，调解恒流源的输出电流，待电解池输出气体稳定后（约1分钟），关闭气水塔输气管。测量输入电流，电 压及产生一定体积的气体的时间，记入表1中。