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测量陆上航道方向的电流分布
质子交换膜燃料电池
在以下位置执行此操作和其他操作车工程公用设施和能源系统公用设施的一部分
质子交换膜燃料电池陆通道方向电流分布的测量
通过
钦梅·库尔卡尼
一份报告
在部分满足学位要求的情况下提交
科学硕士
机械工程专业
本报告已获得批准，部分满足了机械工程理学硕士学位的要求。
机械工程系
三
目录
数字列表iv
表格列表vi
摘要vii
1简介1
1.1燃料电池分类1
1.2 PEMFC的组件7
2 PEMFC的工作原理13
2.1 PEMFC的性能14
3 PEMFC的细分18
4陆槽几何的重要性：文献综述…………21
4.1对配水的影响22
4.2对电流分布的影响23
5实验设置26
5.1分段阳极流道设计26
5.2电流分布测量系统的设计…………27
5.3膜电极组件（MEA）的制备…………28
5.4分段电池的组装
6结果和讨论34
7结论和未来工作41
8参考文献42
四
数字列表
图1.1 PEMFC示意图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8.
图1.2 Nafion膜的化学结构
图1.3催化剂涂层膜的SEM图像。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11
图1.4东丽060碳纸（左）和E-Tek碳布（右）的SEM图像12
图2.1 PEMFC的工作原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13
图2.2 PEMFC的样品极化曲线
图3.1分段集电器
图4.1 PEMFC流场中陆上通道几何结构示意图。21
图4.2在80°C和2.5 A/cm2电流密度下，GDL中的水分布与陆上水道几何结构相关。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。22
图4.3.交叉流型的电流密度分布…………24
图4.4.干旱和洪水的局部电流密度分布…………25
图5.1分段阳极侧集电器26
图5.2.测量局部电流密度的实验装置…………28
图5.3.MEA制备的示意图a）夹在阳极和阴极组件之间的催化剂涂层膜b）MEA的横截面…………..29
图5.4催化剂涂层测量陆上航道方向的电流分布
质子交换膜燃料电池
Chinmay Kulkarni密歇根理工大学，cakulkar@mtu.edu
版权所有2020 Chinmay Kulkarni
推荐引文
Kulkarni，Chinmay，“质子交换膜燃料电池陆上通道方向电流分布的测量”，开放获取硕士报告，密歇根理工大学，2020年。
https://doi.org/10.37099/mtu.dc.etdr/976
在以下位置执行此操作和其他操作：https://digitalcommons.mtu.edu/etdr汽车工程公用设施和能源系统公用设施的一部分
质子交换膜燃料电池陆通道方向电流分布的测量
通过
钦梅·库尔卡尼
一份报告
在部分满足学位要求的情况下提交
科学硕士
机械工程专业
密歇根理工大学
2020
©2020 Chinmay A.Kulkarni版权所有
本报告已获得批准，部分满足了机械工程理学硕士学位的要求。
机械工程系
报告顾问：Dr。Kazuya Tajiri
委员会成员：Dr。杰弗里·艾伦
委员会成员：Dr。Radheshyam Tewari公司
系主任：Dr。威廉·普莱德本
三
目录
数字列表iv
表格列表vi
摘要vii
1简介1
1.1燃料电池分类1
1.2 PEMFC的组件7
2 PEMFC的工作原理13
2.1 PEMFC的性能14
3 PEMFC的细分18
4陆槽几何的重要性：文献综述…………21
4.1对配水的影响22
4.2对电流分布的影响23
5实验设置26
5.1分段阳极流道设计26
5.2电流分布测量系统的设计…………27
5.3膜电极组件（MEA）的制备…………28
5.4分段电池的组装
6结果和讨论34
7结论和未来工作41
8参考文献42
四
数字列表
图1.1 PEMFC示意图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8.
图1.2 Nafion膜的化学结构
图1.3催化剂涂层膜的SEM图像。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11
图1.4东丽060碳纸（左）和E-Tek碳布（右）的SEM图像12
图2.1 PEMFC的工作原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13
图2.2 PEMFC的样品极化曲线
图3.1分段集电器
图4.1 PEMFC流场中陆上通道几何结构示意图。21
图4.2在80°C和2.5 A/cm2电流密度下，GDL中的水分布与陆上水道几何结构相关。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。22
图4.3.交叉流型的电流密度分布…………24
图4.4.干旱和洪水的局部电流密度分布…………25
图5.1分段阳极侧集电器26
图5.2.测量局部电流密度的实验装置…………28
图5.3.MEA制备的示意图a）夹在阳极和阴极组件之间的催化剂涂层膜b）MEA的横截面…………..29
图5.4催化剂涂层电解质和铂活性碳电极。
PAFC中的反应：
阳极反应：2𝐻2.→ 4.𝐻++4.𝑒−
阴极反应：𝑂2+4𝐻++4.𝑒− → 2.𝐻2.𝑂
总体反应：𝑂2+2𝐻2.→ 2.𝐻2.𝑂
3.
铂等贵金属催化剂的使用会因一氧化碳（CO）的形成而中毒，这会严重影响电池的寿命和整体性能。然而，在更高的温度下操作燃料电池可以将这个问题最小化。
c、 固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池使用无孔陶瓷作为电解质。这些燃料电池在非常高的温度（800-1000ͦC）下运行，因此不需要任何贵金属催化剂。SOFC可使用多种燃料，如一氧化碳、氢气等。
SOFC中的反应：使用氢气作为燃料
阳极反应：2𝐻2+2𝑂2.−→ 2.𝐻2.𝑂+4.𝑒−
阴极反应：𝑂2+4𝑒− → 2.𝑂2.−
总体反应：𝑂2+2𝐻2.→ 2.𝐻2.𝑂
SOFC中的反应：使用一氧化碳作为燃料
阳极反应：2𝐶𝑂+2.𝑂2.−→ 2.𝐶𝑂2+4𝑒−
阴极反应：𝑂2+4𝑒− → 2.𝑂2.−
总体反应：𝑂2+2𝐶𝑂 → 2.𝐶𝑂2.
4.
SOFC的运行提供了大量高质量的废热，可用于广泛的应用。由于所用材料的热膨胀系数的变化，在高温下操作会导致电池泄漏。
d、 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）
熔融碳酸盐燃料电池使用熔融碳酸盐混合物作为电解质。这些燃料电池也在相当高的温度（650ͦC）下运行，因此可以使用非贵金属作为催化剂，从而降低成本。与SOFC类似，MCFC也可以使用一氧化碳作为燃料。
MCFC中的反应：使用氢气作为燃料
阳极反应：2𝐻2+2𝐶𝑂32−→ 2.𝐻2.𝑂+2.𝐶𝑂2+4𝑒−
阴极反应：𝑂2+2𝐶𝑂2+4𝑒− → 2.𝐶𝑂32−
总体反应：𝑂2+2𝐻2.→ 2.𝐻2.𝑂
MCFC中的反应：使用一氧化碳作为燃料
阳极反应：2𝐶𝑂+2.𝐶𝑂32−→ 4.𝐶𝑂2+4𝑒−
阴极反应：𝑂2+2𝐶𝑂2+4𝑒− →2.𝐶𝑂32−
总体反应：𝑂2+2𝐶𝑂 → 2.𝐶𝑂2.
5.
由于在高温下运行，MCFC容易受到腐蚀，从而降低电池寿命和整体效率。碳酸盐产生的二氧化碳很难从生成的水中分离出来。
e、 聚合物电解质燃料电池
聚合物电解质燃料电池可分为i）质子交换膜燃料电池（PEMFC）和ii）阴离子交换膜燃料细胞。
i） 质子交换膜燃料电池使用固体聚合物电解质和贵金属（铂）活化多孔碳电极。PEMFC的尺寸相对较小，在低温（30-90℃）下运行，具有快速启动和减少系统磨损的优势。这些燃料电池使用纯氢作为燃料，非常容易发生一氧化碳中毒。
水和热管理是PEMFC运行过程中面临的主要问题。考虑到其显著的功率重量比，这些类型的燃料电池通常用于运输和固定应用。本报告稍后将讨论PEMFC的详细结构和操作。
PEMFC中的反应：
阳极反应：2𝐻2.→ 4.𝐻++4.𝑒−
阴极反应：𝑂2+4𝐻++4.𝑒− → 2.𝐻2.𝑂
总体反应：𝑂2+2𝐻2.→ 2.𝐻2.𝑂
6.
ii）阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）与质子交换膜燃料细胞相似，主要区别在于PEMFC中使用的碱性膜而非酸性膜。在AEMFC中，OH-离子从阴极传输到阳极，而不是H+离子以相反的方式传输。这种反应导致燃料电池中的碱性pH，这提供了某些优点。
AEMFC中的反应：
阴极反应：12𝑂2+𝐻2.𝑂+2.𝑒−→ 2.𝑂𝐻−
阳极反应：2𝑂𝐻−+𝐻2.→ 2.𝐻2.𝑂+2.𝑒−
总体反应：12𝑂2+𝐻2.→ 𝐻2.
7.
表1燃料电池分类。[1]
燃料电池类型
工作温度（ͦC）
优势
缺点
应用
碱性燃料电池
60-250
高效率，
易于热和水管理
需要纯O2
空间
磷酸燃料电池
160-220
耐CO，耐废热
低功率密度，高成本
固定电源
固体氧化物燃料电池
600-1000
耐CO，可使用各种燃料，可用余热
启动时间长，需要热屏蔽
热电联产固定电力
熔融碳酸盐燃料电池
600-800
耐CO、可用余热
启动时间长，电解液维护
热电联产固定电力
质子交换燃料电池
30-90
高效率、低磨损、高功率密度
成本高，废热
运输和固定电力
1.2 PEMFC组件
PEMFC由四个基本组件组成。
a、 固体高分子电解质膜
b、 催化剂层
c、 气体扩散层
d、 双极板。
这四种成分用于分解燃料和运输物质中的质子和电子。聚合物电解质膜导电聚合物电解质膜在水的帮助下传导和传输质子，因此调节膜中的热和水是非常重要的
8.
燃料电池。这些部件如图1.1所示组装在一起。在较高的电流密度下，燃料电池中产生的水阻止了氧气在阴极催化剂层中的扩散，导致阴极的传质过电位增加，从而降低了电池的总电压。因此，管理系统中的水平衡对于有效的质子传导率和有效的氧传输是非常重要的。
图1.1.PEMFC的示意图[2]。
下面将讨论每个组件在热和水管理、电子和质子传输方面的重要性和作用。
a、 聚合物电解质膜
质子交换膜是质子交换膜燃料电池的主要部件之一。它将反应物分离，只允许质子从阳极传递到阴极。它还充当分隔阳极和阴极气体的屏障，并确保两个电极之间没有电子传导，从而导致PEMFC中的功率密度更高。最常见的聚合物电解质膜是Nafion
9
（杜邦公司的商业产品），由全氟磺酸（PFSA）链组成。该膜需要充分水合以在电极之间传输质子。图1.2显示了Nafion中PFSA聚合物链的化学结构。
图1.2 Nafion膜的化学结构
所需的质子传导膜应具有以下性质。
1.在操作条件下具有优异的机械和电化学稳定性。
2.最小的电阻损耗，并且没有电子传导率来充当两个电极之间的屏障。
3.高质子传导率，以承受高电流密度。
4.反应剂不能在膜中扩散，以确保高效率。
5.成本低，使用寿命长。
膜的质子传导率取决于水含量和燃料电池的操作温度。韦伯等人[3]，[4]解释了基于膜湿度的两种质子传输机制。在较高湿度下，质子传输机制是非经典的
10
作为“Grotthus机制”，质子与膜中存在的氢网络一起通过。在较低湿度条件下，质子通过膜中磺酸基提供的静电扩散利用表面机制转移。PFSA膜提供了所有所需的性能，但由于其漫长而关键的化学程序，因此非常脆弱且成本高昂。
b、 催化剂层
用于PEMFC阳极和阴极的催化剂层包括负载铂的碳颗粒和Nafion薄膜。铂用作催化剂，而碳颗粒提供所需的机械强度和增加的活性表面积。由于电势梯度，气体和质子通过迁移转移通过催化剂层和Nafion膜，而电子在碳颗粒的帮助下转移到反应位点。
阳极的活化过电位远小于阴极的活化过电势。这是由于催化氧还原反应的困难。阴极处的催化剂受到腐蚀性很强的环境，应具有化学稳定性以活化氧。与氧还原反应（ORR）相比，氢氧化反应（HOR）的速率非常快，这是因为氢在催化剂层中的扩散率和参与该反应的电子数量较少。
11
尽管铂是用于氢氧化反应阳极的优良催化剂，但它极易受到一氧化碳（CO）中毒的影响。阳极供应纯氢气，但由于涉及碳氢化合物重整的制造过程，通常会发现一氧化碳的痕迹。CO通过反应消耗铂，并阻断催化剂的活性区域，导致反应性降低。
阴极侧面临的另一个问题是溢流。在阴极催化剂层中操作时产生的水可以阻止氧在催化剂层中扩散，这将导致电池的总电压损失。该缺点可以通过增加阴极侧的铂负载量来解决，然而这将增加PEMFC的成本。
图1.3.催化剂涂层膜的SEM图像[5]。
c、 气体扩散层
气体扩散层（GDL）邻近双极板组装。它由厚度很小（100-300μm）的多孔碳纸或碳布制成。GDL的主要功能是将反应物扩散到催化剂层
12
损失最小。它还为催化剂层提供机械强度，增加活性表面积和导电性 |
