研究进展--燃料电池中的传热传质与多尺度问题

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1、燃料电池中的传热传质与多尺度问题的研究进展报告燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池有下列特色：能源效率高达50到60%，在实验室尺度下甚至可达85%。若燃料电池以氢为燃料并应用于电动汽車，相较于內燃机直接燃烧氢气之20%效率，燃料电池的能源效率高出数倍。燃料电池对环境的污染甚低，若以氢气及氧气为燃料，则产物为水，完全沒有污染。燃料电池可因任何需求而設置在

2、都市中任一角落。燃料电池的燃料來源多元，如天然气、氢气、甲醇及沼氣等，而取得上述气体的方式甚多，如來自發酵、氣化及废气物掩埋场等。目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、碱性燃料电池（AFC）等。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能，具有能量转换效率高（一般都在40％～50％，而内燃机仅为18％～24％）、无污染、启动快、电池寿长、比功率、比能量高等优点，成为应用最广的一类燃料电池。该技术已被美国、加拿大等发达国家认定为21世纪首

3、选的清洁能源系统。碱性燃料电池(AFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)磷酸燃料电池(PAFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)直接甲醇燃料电池(DMFC)再生式燃料电池(RFC)锌空气燃料电池(ZAFC)质子陶瓷燃料电池等(PCFC)燃料电池的种类各种種燃料电池基本特性比较電池種類鹼性燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池磷酸燃料電池質子交換膜燃料電池固態氧化燃料電池英文簡稱AFCMCFCPAFCPEMFCSOFC陽極Pt/CCr,Al/NiPt/CPt,Ru/CNi/ZrO2陰極Mental/CNiOPt/CPt/CSr/LaMnO

4、4電解質KOH(35~85%)LiCO3/NaCO3H3PO4Nafion高分子Y2O3/ZrO2流動離子氫氧根離子(OH-)碳酸根離子(CO32-)氫離子(H+)氫離子(H+)氧離子(O2-)操作壓力小於60psia小於120psia小於120psia小於30psia常壓操作溫度<120~250℃650℃160~220℃<100℃800~1000℃反應物高純度H2H2、CO2/CH4H2H2H2、CO/CH4可用燃料精煉氫氣、電解氫氣天然氣、甲醇、石油、煤炭天然氣、甲醇、輕油、沼氣天然氣、甲醇、輕油天然氣、甲醇、石油、煤炭氧化物O2、空氣O2、空氣O

5、2、空氣O2、空氣O2、空氣發電效率70%50~60%40~45%<40%50~60%一、质子交换膜燃料电池protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，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。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。质子交换膜燃料电池PEMFC以其零排放、启动快、高能效等优势成为电动车辆、区域性电站、移动电源、潜艇及航天器等的备选动力源。在过

6、去的几十年里，技术的巨大进步使得PEMFC已接近商业化应用。降低成本和提高性能是其面临的两大挑战，作为改进性能的突破口——尽量减小所有尺度上的传递阻力已成为共识。典型的PEMFC可以划分为4个尺度：电堆（及系统）、电池单体、电极和膜。一个PEMFC由若干个电池单体组成，电池单体由质子交换膜和电极（阴极和阳极）组成。1、质子交换膜质子交换膜是PEMFC的核心部件。起着分隔反应气体和提供质子传递通道的双重作用。在电池操作过程中，膜内将发生质子传导和水传递，两者均强烈依赖于膜的微观结构。长期以来PEMFC大多采用1962年美国杜邦公司研制的全氟磺酸聚合物Na

7、fion系列质子交换膜。但从电池要求看，Nafion系列膜尚存在如下不足：（1）制备和环境成本高。全氟磺酸聚合物制备工艺复杂，磺化过程有时能导致环境污染。（2）对温度和含水量要求高。膜的最佳工作温度为70-90度，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，难以通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒。（3）尺寸稳定性差。膜在干态与湿态时的尺寸变化可达10﹪-20﹪。因此，低成本、高效率的质子交换膜已成为目前的热点研究课题之一。①电迁移。在膜中以水合形式存在，在电场力的作用下，水分子伴随质子，从阳极向阴极电迁移，电迁移水量与电流强度和

8、质子水合数有关。②反扩散。由于质子交换膜燃料电池仅在阴极生成水，在浓度梯度作用下水由阴极向阳极