質(zhì)子交換膜燃料電池膜內(nèi)水的電滲拖動研究.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）又是影響膜中水平衡的一個關(guān)鍵因素。當PEMFC長時間工作在高電流密度時，質(zhì)子交換膜與液態(tài)水達到平衡。本論文通過設計一套氫泵電池，巧妙地避免了膜中水的濃差反擴散，從而可以準確測得膜與液態(tài)水平衡時各種條件下質(zhì)子交換膜的電滲系數(shù)，同時該裝置還可以較為準確的測量相應條件下膜的質(zhì)子電導率。 為了深分析水在質(zhì)子

2、交換膜中的電滲拖動和膜質(zhì)子電導率的影響因素，并考查這些因素對電池性能的影響，本論文從理論和實驗的角度分別對質(zhì)子和水在質(zhì)子交換膜中的傳遞行為進行了研究。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，然后對質(zhì)子在膜中傳輸?shù)腉rutthuss機理和Vehicle機理進行了詳細的討論，深入闡述了這兩種機理的差異，及它們對膜中質(zhì)子傳導速率的影響，最后對水在質(zhì)子交換膜中的存在狀態(tài)、水在膜中的傳遞現(xiàn)象，及電場存在時水在膜中的傳輸機理進行了分

3、析。在實驗方面，設計氫泵系統(tǒng)研究了膜在液態(tài)水平衡時，膜的溫度、膜的水含量、膜內(nèi)的電流密度、膜的類型對膜內(nèi)水的電滲系數(shù)和質(zhì)子電導率的影響。 本論文通過理論和實驗研究得到如下結(jié)論： （1）膜的水含量增加或溫度升高時，膜電滲系數(shù)和電導率變大，電滲系數(shù)的增加意味著更大比例的質(zhì)子通過Vehicle機理傳導； （2）Nafion（）117膜電流密度從0.05A/c㎡增加到1.5A/c㎡時，膜內(nèi)水的電滲系數(shù)沒有明顯的變化，說明

4、膜中電場的強度對水的電滲系數(shù)沒有影響，高電流密度時，PEMFC膜陽極側(cè)脫水，陰極側(cè)電極“水淹”，與電滲系數(shù)的變化沒有關(guān)系，完全是由電流密度的增加，導致膜內(nèi)水失去平衡； （3）對于Nafion（）系列的膜，膜的EW值越大，膜的質(zhì)子電導率和電滲系數(shù)越小，這說明在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）通過對SPEEK/H—PTFE復合膜（磺化度DS=0.68）、Nafion（）/P