先进电池材料之燃料电池 质子交换膜燃料电池.ppt

当以水为冷却液时，应采用去离子水，对水的电导要求很严格。 一旦水被污染，电导升高，则在电池组的冷却水流经的共用管道内要发生轻微的电解，产生氢氧混合气体，影响电池的安全运行，同时也会产生一定的内漏电，降低电池组的能量转化效率。 当用水和乙二醇混合液作为冷却剂时，冷却剂的电阻将增大。由于冷却剂的比热容降低，循环量要增大，而且一旦冷却剂被金属离子污染，其去除要比纯水难度大得多，因为水中的污染金属离子可通过离子交换法去除。 空气冷却：对千瓦级尤其是百瓦级PEMFC电池组，可以采用空气冷却来排除电池组产生的废热。 排热板流场结构示意图 常压空气冷却的双极板结构示意 各种极化的比较 图 O2压力对电池性能的影响 电池组失效的原因 PEMFC电池组在长时间运行中，除了因电催化剂中毒与老化，质子交换膜的老化、腐蚀和污染，导致其能量转换效率低于设定值而需要更换外，有时在启动、停机和运行，特别是当负荷发生大幅度变化时，电池组内某节或某几节电池会失效，甚至可能会发生爆炸，导致整个电池组失效。 电池组失效的主要原因有下述两种： 1.反极导致电池组失效 电池组反极：由n节单电池串联构成电池组，当电池组在一定电流输出稳定运行时，电池组工作电压V是： 式中，Vi为第i节电池的工作电压。 当电池组在运行时，如果电池组中的某节单电池不能获得相应于工作电流下化学剂量的燃料供应量时，氧化剂会经电解质迁移到燃料室，以维持电池组内电流的导通。 如果单电池不能获得相应于化学剂量的氧化剂供应量，则为了维持电池组内电流的导通，燃料会经过电解质迁移到氧化剂室。 一旦发生上述两种情况的任何一种，均会导致燃料与氧化剂在一个气室的混合，在电催化剂的作用下，可能会发生燃烧、爆炸，从而烧毁一节或几节单电池，进而导致整个电池组的失效。 当PEMFC电池组中的某节单电池发生反极时，电化学反应的变化如下： 1）当燃料供应不足时，在阳极侧： 正常电化学反应 反极时的电化学反应 2）氧化剂氧气供应不足时，在阴极侧： 正常电化学反应 反极时的电化学反应 即由燃料电池过程（将化学能转变为电能）转变为消耗电能，将氧由阴极室迁移到阳极室的过程。此时，电池组输出的电流不变，但工作电压变为： 其中，Vi包括： 1）阴极氧还原过电位， 2）阳极析氧过电位， 3）欧姆过电位， 4）由两室氧浓度差引起的浓差过电位。 1）与3）的值和按燃料电池工作时一致，依据电池工作电流密度的大小，在0.2~0.5V之间变化。如用电压表测量第i节单电池的电压, 可以发现它从按电池工作的正常电压（如0.70~0.90V）逐渐下降, 降到“0”后逐渐变负，依据电流密度将可到-0.5~-0.2V。因此，电池组的总电压下降1.2~1.5V。 因发生惰性气体累积或燃料、氧化剂供应不足等导致第i节单电池电压从正到负的变化过程称之为“反极”。 如电池组发生反极后仍让它继续运行，则第i节单电池在氢室析出氧气，经电池组共用管道进入其相邻单电池，导致电池组电压大幅度下降。严重时会由于氢氧混合在电池组共用管道或单电池内气室发生爆炸而破坏电池组。 在PEMFC电池系统中发生某及节单电池燃料或氧化剂供应不足的原因主要有： 1）供气系统故障：如氢气的减压稳压器突然失效，空压机故障导致供气量减少或停止工作等。如此时电池组对外输出不断开，电池组内一定会发生某节单电池首先反极。 2）电池排气系统故障或原料气纯度不匹配：如氢气排气电磁阀失灵，导致氢气长时间无排放，或原设定排气量不适应偶然使用过低浓度的反应气。这种情况一旦发生，将会引起电池组某节单电池由于惰性气体积累而首先发生反极。 2）电池排气系统故障或原料气纯度不匹配：如氢气排气电磁阀失灵，导致氢气长时间无排放，或原设定排气量不适应偶然使用过低浓度的反应气。这种情况一旦发生，将会引起电池组某节单电池由于惰性气体积累而首先发生反极。 3）双极板流场加工不均匀：MEA制备的不均匀性、组装时密封件变形和MEA压深的不均匀性等导致电池组内各单电池阻力分配不均匀。一旦出现阻力过大或过小的电池，在电池组高功率运行或过载时，阻力过大的单电池可能会出现反极。 4）反应气体流速过低：对于PEMFC，一般会存在部分或大部分电化学反应生成液态水，反应气室内为两相流。 若流场设计时不能确保反应气具有一定的线速度（如5m/s)，即反应气流速过低，不能及时将液态水吹出电池，导致液态水在某节电池中积累，特别是在电池的出口处积累，导致该节电池阻力过大，严重时不能获得充足的氧化剂的供应而出现反极。 所以，流道的设计和加工制做，关键部件的制备和组装工艺质量，及电池的运行管理等对于电池的安全运行是至关重要的。 特别应加强电池的检测与控