質(zhì)子交換膜燃料電池膜內(nèi)水的電滲拖動(dòng)研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜是PEMFC中的關(guān)鍵材料，膜內(nèi)水傳遞和平衡是影響燃料電池性能和使用壽命的關(guān)鍵因素之一，而膜內(nèi)水伴隨著質(zhì)子的傳遞（電滲拖動(dòng)）又是影響膜中水平衡的一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng)PEMFC長(zhǎng)時(shí)間工作在高電流密度時(shí)，質(zhì)子交換膜與液態(tài)水達(dá)到平衡。本論文通過(guò)設(shè)計(jì)一套氫泵電池，巧妙地避免了膜中水的濃差反擴(kuò)散，從而可以準(zhǔn)確測(cè)得膜與液態(tài)水平衡時(shí)各種條件下質(zhì)子交換膜的電滲系數(shù)，同時(shí)該裝置還可以較為準(zhǔn)確的測(cè)量相應(yīng)條件下膜的質(zhì)子電導(dǎo)率。 為了深分析水在質(zhì)子

2、交換膜中的電滲拖動(dòng)和膜質(zhì)子電導(dǎo)率的影響因素，并考查這些因素對(duì)電池性能的影響，本論文從理論和實(shí)驗(yàn)的角度分別對(duì)質(zhì)子和水在質(zhì)子交換膜中的傳遞行為進(jìn)行了研究。在理論方面，首先介紹了質(zhì)子交換膜廣為接受的離子簇網(wǎng)模型，然后對(duì)質(zhì)子在膜中傳輸?shù)腉rutthuss機(jī)理和Vehicle機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的討論，深入闡述了這兩種機(jī)理的差異，及它們對(duì)膜中質(zhì)子傳導(dǎo)速率的影響，最后對(duì)水在質(zhì)子交換膜中的存在狀態(tài)、水在膜中的傳遞現(xiàn)象，及電場(chǎng)存在時(shí)水在膜中的傳輸機(jī)理進(jìn)行了分

3、析。在實(shí)驗(yàn)方面，設(shè)計(jì)氫泵系統(tǒng)研究了膜在液態(tài)水平衡時(shí)，膜的溫度、膜的水含量、膜內(nèi)的電流密度、膜的類型對(duì)膜內(nèi)水的電滲系數(shù)和質(zhì)子電導(dǎo)率的影響。 本論文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究得到如下結(jié)論： （1）膜的水含量增加或溫度升高時(shí)，膜電滲系數(shù)和電導(dǎo)率變大，電滲系數(shù)的增加意味著更大比例的質(zhì)子通過(guò)Vehicle機(jī)理傳導(dǎo)； （2）Nafion（）117膜電流密度從0.05A/c㎡增加到1.5A/c㎡時(shí)，膜內(nèi)水的電滲系數(shù)沒(méi)有明顯的變化，說(shuō)明

4、膜中電場(chǎng)的強(qiáng)度對(duì)水的電滲系數(shù)沒(méi)有影響，高電流密度時(shí)，PEMFC膜陽(yáng)極側(cè)脫水，陰極側(cè)電極“水淹”，與電滲系數(shù)的變化沒(méi)有關(guān)系，完全是由電流密度的增加，導(dǎo)致膜內(nèi)水失去平衡； （3）對(duì)于Nafion（）系列的膜，膜的EW值越大，膜的質(zhì)子電導(dǎo)率和電滲系數(shù)越小，這說(shuō)明在EW值較高的膜中，離子簇越小，簇中的自由水越少，限制了質(zhì)子和水在膜中的傳輸； （4）通過(guò)對(duì)SPEEK/H—PTFE復(fù)合膜（磺化度DS=0.68）、Nafion（）/P