质子交换膜燃料电池论文(3)

(1)气体扩散层是气体到达电催化层的必由之路，应具有高孔隙率和适宜的孔分布，有利于气体的传质；

(2)气体扩散层具有收集电流的作用，应该是电的良导体；

(3)气体扩散层对电催化层具有支撑作用，应该具有一定的机械强度，适于电催化层的负载；

(4)气体扩散层应该是热的良导体，便于PEMFC的热管理：

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(5)气体扩散层在PEMFC的运行条件(一定的温度、氧化与还原气氛以及电压)下，应该具有一定的化学和电化学稳定性。

为了达到上述对气体扩散层的多种要求，目前一般普遍采用石墨化的碳纸和碳布，如日本Foray公司生产和销售的TGP-H碳纸，其厚度一般在100~300μm之间。为了进一步改善PEMFC的性能，众多的学者和研究人员都提出了在碳纸和催化剂层之间添加水管理层(或扩散层)的方法。该层主要由碳以及疏水的PTFE构成。有实验结果表明在碳纸和催化剂层之间添加水管理层能有效的改善PEMFC性能。

Zhigang Qi等发现，在膜电极结构中添加水管理层后，可以避免不同种类的碳纸所引起的性能差异。J．Mirzazadeh等的研究结果表明，水管理层对电化学反应的动力学性能并没有影响，但能明显提高PEMFC在高电流密度区的性能。Jinhua Chert等重点研究了水管理层的水管理功能。水管理层可以使整个电极内部的水分布更均匀，从而使整个质子交换膜保持均较高质子导电性能；水管理层还可有效地避免质子交换膜缺水以及阴极的淹渍现象，从而使PEMFC性能得到改善。

此外，气体扩散层的厚度、PTFE含量以及孔率等均对膜电极MEA的性能具有重要影响。适中的碳载量以及PTFE更有利于改善PEMFC的性能。Chang Sun Kong等在水管理层中添力Li2CO3作为造孔剂，通过热处理使Li2CO3分解成孔，并发现水管理层中孔径的分布比总的孔率对PEMFC性能影响更大。

3 PEMFC的工作原理

膜电极组件(MEA)是单体电池的心脏，燃料电池反应便发生在此组件上。MEA 位于石墨极板之间，由固体电解质膜、催化剂电极和电极支撑体组成，其厚度不到1mm。电解质膜用热压法粘到电极上，制造膜的材料是过氟化磺酸( 如杜邦公司生产的Nafion系列材料)，它必须在燃料电池工作期间保持充分水化状态，以达到最大限度的质子传导率。PEMFC在常压和低于100℃下工作。PEMFC的工作原理图如图1所示，PEMFC的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。当PEMFC工作时，由双极板向MEA供给纯氢或混有二氧化碳的氢气以及氧化剂( 如空气) ，反应物穿过多孔的碳电极载体进入铂催化层，氢燃料在阳极上发生反应，生成电子和氢离子：

H2→2H++2e- Eθ= 0. 000 V

氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极，并在阴极与电子和空气提供的氧结合成水：

1/2O2+2H++2e-→H2O Eθ= 1. 234 V

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图1 PEMFC的组成及工作原理示意图

这样，氢和氧通过PEMFC结合产生电力，并生成副产品水和热量:

1/2 O2+ H2→H2O Eθcell= 1. 234 V

从图1可以看出，氢气由阳极进入燃料电极，由于铂催化剂的作用，变成两个H+和两个电子，电子通过外循环电路，回到电池的阴极，氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极。同时O2在燃料电池的阴极通过催化剂形成两个O原子，每一个O原子都有一个强的负电荷，这负电荷通过膜吸引两分子的H+，在这里两个H+，一个O原子和两个电子形成一分子的水。所以只要向燃料电池不断供给燃料和氧化剂，它就会不断的产生直流电。双极板一般用纯石墨制成，它上面有一些机械加工的沟槽，供氢气和空气进入，也供排水用。反应产生的热量由冷却片散发。

目前，PEMFC一般在80~ 90℃下工作，产生的热量尚不能有效利用。将若干个MEA串联起来可构成电池组，提供1~ 25kw 动力，再把电池组串联成电池堆，这样便可提供足够的动力，用于驱动小骄车(50kw)、公共汽车( 200kw) ，或者作为供电站的动力源。

参考文献

[1] 魏增福,郑金.燃料电池发电的研究现状与应用前景[J].广东电力,2009,22(12) [2] 彭红建，谢佑卿.质子交换膜燃料电池电催化剂催化机理研究最新进展[J].材料报道，2004，18(2)

[3] 家伦.质子交换膜燃料电池的发展及展望[J].电池工业，1999，4(1)

[4] 张华民，明平文，邢丹敏.质子交换膜燃料电池的发展现状[J].当代化工，2001，30(1)

[5] 王凤娥.质子交换膜燃料电池的研究开发及应用新进展[C].北京有色金属研究总院，2002

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