质子交换膜燃料电池电堆结构研究

质子交换膜燃料电池电堆结构研究

刘翀

广东爱德曼氢能源装备有限公司

摘要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效,清洁的能源设备,在航空航天,运载交通和便携移动设备等诸多领域具有良好的应用前景，目前在燃料电池领域中应用最多的是质子交换膜。但由于其成本过高且难以推广以及多用于生物柴油方面而受到限制等等问题导致燃料电池市场发展并不乐观,因此对质子交换薄膜的优化设计是未来研究方向之一,也是未来电池电动车发展的必然要求。

关键词：质子交换膜燃料电池；电堆；结构

引言：随着当今世界能源短缺问题的日益严峻,燃料电池已成为一个国际热点研究方向,也是各国在新能源开发和可持续发展战略中不可或缺的动力源。目前我国正处于大规模使用燃料电池技术、提高其性能水平。但是相比于国外先进国家来说差距还是很大。因此如何使现有资源得到最大程度发挥以及更好地解决环境污染等一系列难题已经迫不及待地需要而必须建立一种高效可靠的燃料电池电化学能存储装置来替代传统以常规能源为基础,以燃料电池为基本单元的传统能源存储装置。

一、 质子交换膜燃料电池的结构优化设计模型

1.1 模型参数的选取与函数拟合

在本章的研究中,模型参数是设计结果的基础,也就是本文优化方法能否成功实现。为了能够更好地模拟实际环境与实验条件下所建立起来和获得最理想化。因此我们要对燃料电池电堆进行数学建模分析:
   (1)在燃料电池发电性能分析上，通过计算得到不同载流率情况下各电动势梯度、转矩密度分布及功率谱，并将其带入模型中,根据其特性做出优化设计结果的选取方案以及相关数据。(2)燃料电池电堆的优化设计研究上，通过计算得到燃料燃烧过程中各电动势梯度、转矩密度分布及功率谱。模型拟合是指将一个复杂问题分解为单目标函数,然后在满足一定约束条件下,根据所需要求取值进行求解。

1.2 离子交换膜燃料电池的解析解

在燃料电池的研究中,我们主要是对离子交换膜进行了分析,通过其特殊结构和性质来确定燃料电池是否具有高效率、低成本以及长寿命等特点。
   (1)吸附作用:由于不同种类离子之间存在着较大程度上的相互排斥力。因此为了能够实现电荷分离以提高能量利用率及可靠性稳定性就必须要使用一定量的活性物质来增强电极负载能力，而在本文中我们需要研究的是如何将活性炭用做为碳源,从而实现燃料电池中活性物质的吸附。

(2)共价作用:当燃料在不同状态下其化学性质也是不相同,所以我们需要研究通过对原料进行一系列改良来提高催化剂反应性,使催化效果达到最大化;同时我们还可以利用碳源特性和负载特性等方法来优化催化性能。

(3)电导率:在一定的条件下,燃料电池中活性炭具有不同的电子传导性,因此我们就可以通过控制电极材料来实现这一功能。

1.3 结构优化设计模型的建立与修正

在本章中,我们将通过对B-S模型的建立和实验数据分析,来研究不同载型比(空载率)下电池电化学性能变化。由于B-S结构具有较高的效率及较好地放电特性等优点而广泛应用于电动汽车燃料电池发电系统设计、储能装置设计与控制以及能量存储系统等方面。因此在本章中我们将对其进行简化处理并建立一个物理模型和数学计算分析,以实现所提算法的实用性、准确性和有效性，并最终建立一种在不同空载率条件下的电池电化学性能优化模型[1]。

二、 质子交换膜燃料电池电堆结构优化设计

2.1 质子交换膜燃料电池的工作机理

燃料电池是一种将氢气和可燃的氢在高温下转化为电能装置,它由活性单元、充放电电路(包括电化学电源)以及电解液三部分组成。当电池通电时,活性单元中含有一个活化的电极，同时电流通过阴极进入到负氧离子交换膜内进行电离反应后产生电子空穴对与燃料颗粒表面结合形成具有一定厚度且带有不同电荷的氢过氧化物，在阳极氧化过程结束以后,活性膜内的氢会带出电子,空穴经过电化学器产生电流,在电极间形成电位差。
   燃料电池发电过程中需要考虑到的是氢气和可燃液体(主要是水蒸气)等物质对其有一定腐蚀性，同时也要考虑到载体材料的成本问题、以及电池所需使用环境条件等等因素带来了种种限制:如易燃烧或不耐热等原因会造成催化剂失效或者活性膜孔隙率增大,延长电极间接触面积从而导致燃料效率降低。

2.2 膜片尺寸确定

电堆结构优化设计中的膜片尺寸是指电池板厚度,其大小直接影响着整个装置的性能。本章通过对燃料电池发电时产生高温废气进行分析研究。
   为了使电极材料具有较高强度和均匀分布于载体表面、提高系统稳定性等优点,在设计过程中会尽可能降低薄膜宽度以达到增大阻力并减少颗粒直径与减小导流损失效果，另外,由于电极材料具有较高的厚度,因此在设计过程中要考虑到导电膜表面对电池板产生的影响[2]。

2.3 离子交换膜燃料电池的形状

燃料电池的形状是影响其发电性能和使用寿命的重要因素。由于燃料电池在工作时,受温度、压力等环境条件限制,所以它具有较高比容量。同时由于动力特性与结构特点使该装置容易受到腐蚀、高温及振动等不利因素作用(例如:风压差大或燃烧室散热困难)而发生损坏，而且当其处于低温状态时会加速燃料分解速率以及减少可再生能源的使用量。因此为了提高燃料电池发电效率和延长寿命必须优化设计电极材料及其工艺性能,使之具有较高的比容量。目前电池电极材料主要采用碳化硅基或石墨烯,其化学性质稳定,在高温下稳定性好,但导电率低且不易发生短路、燃烧和爆炸等危险事故;另外导热性差也是燃料电池极易出现问题之一(例如:腐蚀、自燃)。因此为了提高燃料效率及延长寿命需要改进催化剂的设计与研究工作。 

三、 质子交换膜燃料电池的结构优化及特性分析

3.1 试验材料及设备

试验材料为高强度有机溶剂,采用燃料电池车作为动力装置。在载流子中加入了水作为载体。通过调节电子传输速率及电导率使其具有较好的稳定性。同时为了保证电极间稳定接触和密封性,将电催化剂置于载体上进行均匀化处理以防止腐蚀影响实验结果;在电导率较高的载体上,加入燃料电池车作为动力装置以保证稳定接触。
   试验中用恒流容量为15mL/s进行实验。其中,将电池电极置于载玻片表面并固定在载玻片表面上后，同时调节电子传输速率及电导率使其具有较大稳定性且不易出现裂痕和氧化现象，最后通过恒电流的方式分别测出纯氧模拟区以及空穴浓度分布情况,从而得出电导率及载玻片的厚度对电池性能的影响。

3.2 燃料电池的结构优化测试

燃料电池的结构优化是一项复杂、庞大和艰巨性工程,在实际工作中,因为受到各种因素影响。因此为了确保本文研究结果的可靠性与准确性。我们对燃料电池进行了测试分析设计实验方案以及相关数据采集及处理等过程，通过一系列数据采集及处理后得到最终模型参数，燃料电池电循环性能指标均优于传统的常规燃油电站和蓄发电载波驱动电源,在电循环性能指标和能量密度上都有一定程度的提高。因此,为了进一步优化燃料电池发电过程,我们必须对其各方面进行更加细致地研究[3]。

3.3 质子交换膜燃料电池的电化学

燃料电池在运行过程中,其工作环境是高温、高电流密度和强化学污染的恶劣条件下。所以为了提高燃料电池发电效率,需要不断改进电机制造技术。
   优化动力装置:将传统的机械式动力涡轮机等结构进行简化改造后再运用到电动轮机上来降低能量消耗率;同时采用电子开关控制电动轮转速达到最佳状态,燃料电池是一种将可燃性气体或液体(如氢气、气溶胶)作为载体的高效环保型能源。燃料电池具有较高效率,可以满足燃料和空气中混合介质的要求,且在能量储存与使用方面都十分方便。但是目前由于质子交换膜材料制备工艺复杂及易产生有毒有害物质等原因使得其难以大规模应用到实际生产生活之中;同时随着科技水平不断进步以及人们对环境保护意识增强导致了化石类资源日益枯竭的问题也越来越严峻。

四、 质子交换膜燃料电池电堆结构优化研究

4.1 质子交换膜燃料电池电堆结构优化前处理

通过以上的分析,我们对电池电化学性能进行了优化。首先,为了简化试验过程、降低成本和提高燃料电池发电效率。在前文中所做仿真实验验证之前已经得到了大量数据结果与模拟实际情况有一定出入；其次是在实验室内搭建好相应模型并使用matlab软件来验证其可行性及可靠性；再次就是将不同载流子的容量分配到不同种类的惰性气体进行对比分析,通过分析比较可以得出电化学性能最佳化。在燃料电池电化学性能优化设计中,我们通过改变载流子数量及容量来降低其成本,同时也可以提高燃料电池发电效率。

4.2 质子交换膜燃料电池电堆结构优化步骤

通过试验结果分析可知,对电化学性能优化的过程中,首先需要将惰性气体去除掉。在本实验中我们使用的是容量为10mAh、充电电压1Vs(1.5-3伏)电池组。通过对容量为10mAh的电池组进行电化学性能优化。由于不同型号电池在能量转换过程中,其电极板和电解液之间会发生化学反应,所以需要将SO2充分释放出来。而容量较小且有正负电荷的阳极则是为了避免在充电时产生过充现象；其次是要考虑到电动势与电流大小、电压分布等因素对燃料效率以及空穴率影响较大(当电化学性能良好时会使电池工作点位变高)。在电池容量为10mAh时,由于正负电极板的存在,其充电电压会降低,因此电动势也会相应增加。当电流增大到一定程度后(如过充或者短路等)阳极将会出现放电现象。

总结：随着我国科技的持续进步,人们对电能和其他清洁能源越来越重视,而燃料电池作为一种新型动力能被广泛应用于各种领域。本文在前人研究基础上结合实际情况完成了船舶电工实验装置及转轮汽车燃料电池发电系统的设计与优化工作;主要结论如下:
    (1)不同载流子种类、温度下所产生结构特性差异较大,通过改变各结构的相对位置和相对速度来实现能量存储效果以及驱动方式选择等功能对整个动力电源模型进行简化。

(2)在不同载流子种类和相对速度下,对燃料电池发电系统进行优化设计,通过改变动力电源的输出功率大小实现能源利用最大化。同时也为其他新型电动汽车提供参考。

(3)将质子交换膜装置与电化学储能元件相结合来提高能量存储效率。

参考文献：

[1]刘博.质子交换膜燃料电池电堆结构优化设计与动力学性能研究[D].大连理工大学,2018.

[2]熊月娇,王佳庆,刘博,等.大型燃料堆结构优化设计与抗振分析[C]//2018年全国固体力学学术会议摘要集(上).2018.

[3]陈振宇.燃料电池堆多物理场分布特性研究及结构优化设计[D].江苏科技大学[2023-12-10].