燃料电池基础理论动力学热力学研究方法.ppt

燃料电池热力学燃料电池热力学2024/8/151热量传递的三种基本方式热量传递的三种基本方式1 1 导热（热传导）导热（热传导）(Conduction)(Conduction)热量传递的三种基本方式：导热热量传递的三种基本方式：导热( (热传导热传导) )、对流、对流( (热对流热对流) )和热辐射和热辐射1)(1)定定义义：：指指温温度度不不同同的的物物体体各各部部分分或或温温度度不不同同的的两两物物体体间间直直接接接接触触时时，，依依靠靠分分子子、、原原子子及及自自由由电电子子等等微微观观粒粒子热运动而进行的热量传递现象子热运动而进行的热量传递现象(2)(2)物质的属性：物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生可以在固体、液体、气体中发生(3)(3)导热的特点：导热的特点：a a 必须有温差；必须有温差；b b 物体直接接触；物体直接接触；c c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；热量；d d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中2024/8/152(4)(4)导热的基本定律：导热的基本定律： 1822年，法国数学家Fourier: 上式称为上式称为FourierFourier定律，号称导定律，号称导热基本定律，是一个一维稳态热基本定律，是一个一维稳态导热。

其中：导热其中： ：热流量，单位时间传递的热量：热流量，单位时间传递的热量[W][W]；；q q：热流密度，单：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；位时间通过单位面积传递的热量；A A：垂直于导热方向的：垂直于导热方向的截面积截面积[m2][m2]；； ：导热系数（热导率）：导热系数（热导率）[W/( m K)][W/( m K)]图图1-2 1-2 一维稳态平板内导热一维稳态平板内导热t0x dxdtQ2024/8/153(1)(1)定义定义：：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之流体中（气体或液体）温度不同的各部分之 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处 传递到另一处的现象传递到另一处的现象2 2 对流（热对流）对流（热对流）(Convection)(Convection)(2) (2) 对流换热对流换热：：当流体流过一个物体表面时的热量传递当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点：过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差必须有温差 c c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)(3)对流换热的分类对流换热的分类 无相变：强迫对流和自然对流无相变：强迫对流和自然对流 有相变：沸腾换热和凝结换热有相变：沸腾换热和凝结换热2024/8/154Convection heattransfer coefficient(4) (4) 对流换热的基本计算公式对流换热的基本计算公式————牛顿冷却公式牛顿冷却公式h — 表面传热系数 — 热流量[W]，单位时间传递的热量q— 热流密度A — 与流体接触的壁面面积— 固体壁表面温度— 流体温度2024/8/155(1) (1) 定义定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3 3 3 3 热辐射热辐射(Thermal radiation)(Thermal radiation)(2)(2) 特点特点：：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 K0 K，就会不停地向，就会不停地向周围空间发出热辐射；周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量形伴随能量形式的转变；式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波长均辐射能与温度和波长均有关；有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。

次方 (3) (3) 生活中的例子：生活中的例子： a a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热；当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服；要舒服； c c 太阳能传递到地面太阳能传递到地面 d d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在冬天，蔬菜大棚内的空气温度在0℃0℃以上，但地面却可能以上，但地面却可能 结冰2024/8/156传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图图1 1－－8 8 墙壁的散热墙壁的散热2024/8/157在导热体中取一微元体在导热体中取一微元体热力学第一定律：热力学第一定律： d  时间内微元体中：时间内微元体中：[导入与导出净热量导入与导出净热量]+ [内热源发热量内热源发热量]= [热力学能的增加热力学能的增加]1、导入与导出微元体的净热量、导入与导出微元体的净热量d  时间内、沿时间内、沿 x 轴方向、经轴方向、经 x 表面导入的热量：表面导入的热量：2024/8/158４、边界条件４、边界条件说明导热体边界上过程进行的特点说明导热体边界上过程进行的特点反映过程与周围环境相互作用的条件反映过程与周围环境相互作用的条件边界条件一般可分为三类：边界条件一般可分为三类：第一类、第二类、第三类边界条件第一类、第二类、第三类边界条件（１）第一类边界条件（１）第一类边界条件s — 边边界界面面; tw = f (x,y,z) — 边边界界面面上上的的温温度度已知任一瞬间导热体边界上已知任一瞬间导热体边界上温度值：温度值：稳态导热：稳态导热： tw = const非非稳稳态态导导热热：： tw = f ( )（（Boundary conditions））2024/8/159（（2）第二类边界条件）第二类边界条件根据傅里叶定律：根据傅里叶定律：已知物体边界上已知物体边界上热流密度热流密度的分布及变化规律：的分布及变化规律：第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界面法向的温度梯度值面法向的温度梯度值稳态导热：稳态导热：qw非稳态导热：非稳态导热：特例：绝热边界面：特例：绝热边界面：2024/8/1510（（3）第三类边界条件）第三类边界条件傅里叶定律：傅里叶定律：当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时刻边界面任一时刻边界面周围流体的温度周围流体的温度和和表面传热系数表面传热系数导热微分方程式的求解方法导热微分方程式的求解方法导热微分方程＋单值性条件＋求解方法导热微分方程＋单值性条件＋求解方法 温度场温度场积分法积分法、、杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯杜哈美尔法、格林函数法、拉普拉斯变换法变换法 、分离变量法、、分离变量法、积分变换法、数值计算法积分变换法、数值计算法tf, hqw牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：2024/8/1511内能（U） 广义地说，内能是由系统内部状况决定的广义地说，内能是由系统内部状况决定的能量。

热力学系统由大量分子、原子组成，储存能量热力学系统由大量分子、原子组成，储存在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总在系统内部的能量是全部微观粒子各种能量的总和，即微观粒子的动能、势能、化学能、电离能、和，即微观粒子的动能、势能、化学能、电离能、核能等等的总和核能等等的总和 由于在系统经历的热力学过程中，物质的由于在系统经历的热力学过程中，物质的分子、原子、原子核的结构一般都不发生变化，分子、原子、原子核的结构一般都不发生变化，即分子的内部能量保持不变即分子的内部能量保持不变2024/8/1512内能（U） 系统的内能通常是系统的内能通常是指全部分子的动能指全部分子的动能以及分子间相互作用势能之和以及分子间相互作用势能之和，前者包括，前者包括分子平动、转动、振动的动能，后者是所分子平动、转动、振动的动能，后者是所有可能的分子对之间相互作用势能的总和有可能的分子对之间相互作用势能的总和 内能是态函数真实气体的内能是温内能是态函数真实气体的内能是温度和体积的函数理想气体的分子间无相度和体积的函数理想气体的分子间无相互作用，其内能只是温度的函数。

互作用，其内能只是温度的函数2024/8/1513热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律 ：也叫能量不灭原理，就：也叫能量不灭原理，就是能量守恒定律是能量守恒定律 dU = dQ-dW dU = dQ-dW 对于机械功：对于机械功：dW =pdVdW =pdV所以：所以： dU = dQ- pdV dU = dQ- pdV 2024/8/1514熵（entropy）物理学上指热能除以温度所得的商，标志物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度科学技术上热量转化为功的程度科学技术上用来描用来描述、表征体系混乱度述、表征体系混乱度的函数 热力学中工质的热力状态参数之一在可热力学中工质的热力状态参数之一在可逆微变化过程中，逆微变化过程中，熵的变化等于系统从热熵的变化等于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比源吸收的热量与热源的热力学温度之比，，可用于度量热量转变为功的程度可用于度量热量转变为功的程度 dS=dQ/TdS=dQ/T → dQ=TdQ=T·dSdS2024/8/1515熵（entropy）Ｓ＝ｋＳ＝ｋ×lgΩ×lgΩ其中，其中，ΩΩ为系统分子的状态数，ｋ为玻尔为系统分子的状态数，ｋ为玻尔兹曼常数。

兹曼常数由熵与热力学几率之间的关系，可以认为：由熵与热力学几率之间的关系，可以认为：系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序；系统的熵值越大，它所处的状态是有序；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序熵均大于等于零越是无序熵均大于等于零,dS≥0,dS≥02024/8/1516热力学第二定律热力学第二定律一种常用的表达方式是，热力学第二定律一种常用的表达方式是，每一个自发的物理或化学过程总是向着熵每一个自发的物理或化学过程总是向着熵增高的方向发展增高的方向发展, ,熵增加原理就是熵增加原理就是热力学第热力学第二定律二定律熵是一种不能转化为功的热能熵是一种不能转化为功的热能熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温熵的改变量等于热量的改变量除以绝对温度 热能不能完全转化为机械能，只能从高温热能不能完全转化为机械能，只能从高温物体传到低温物体物体传到低温物体 2024/8/1517焓热力学中用来表示物质系统能量的一个状热力学中用来表示物质系统能量的一个状态函数，常用符号态函数，常用符号H H表示。

数值上等于系统表示数值上等于系统的的内能内能U U加上压强加上压强p p和体积和体积V V的乘积的乘积，即，即H=U+pVH=U+pV焓的变化是系统在等压可逆过程焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量中所吸收的热量的度量 2024/8/1518自由能自由能自由能 free energy free energy ：在热力学当中，自：在热力学当中，自由能是指在某一个热力学过程中，由能是指在某一个热力学过程中，系统减系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分少的内能中可以转化为对外作功的部分它衡量的是：在一个特定的热力学过程中，它衡量的是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的系统可对外输出的“有用能量有用能量”可分为亥可分为亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能姆霍兹自由能和吉布斯自由能 2024/8/1519自由能按照亥姆霍兹的定容自由能按照亥姆霍兹的定容自由能F F与吉布斯的定与吉布斯的定压自由能压自由能G G的定义，的定义，G=A+PV G=A+PV （（p p为压力，为压力，V V为体积）为体积）对于亥姆霍兹定容自由能对于亥姆霍兹定容自由能F F：：dF=-SdT-VdPdF=-SdT-VdP对于吉布斯定压自由能对于吉布斯定压自由能G G：：dG=-SdT+PdVdG=-SdT+PdV2024/8/1520焓变焓变dH=TdS+VdP化学过程中的焓变：△△H=ＨＨ产物产物－Ｈ－Ｈ反应物反应物 ；； △ △H称为焓变，称为焓变，△△H具有Ｈ的特征，但可测具有Ｈ的特征，但可测定。

定2024/8/15211、、 标准条件：标准条件： ⑴⑴、热力学标准态：温度、热力学标准态：温度298K、标准压力、且、标准压力、且纯态 ⑵⑵、稳定单质：标态下，某元素以多种形式存、稳定单质：标态下，某元素以多种形式存在时，焓值最低，即最稳定的为稳定单质在时，焓值最低，即最稳定的为稳定单质⑶⑶、人为指定标态下，稳定单质的标准生成焓规、人为指定标态下，稳定单质的标准生成焓规定为定为 零标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓2024/8/1522化学反应热的化学反应热的热力学热力学求算求算利用标准摩尔生成焓求算利用标准摩尔生成焓求算△ △H0由： Qp＝＝△ △Ｈ＝Ｈ＝ ＨＨ２２ －－ ＨＨ１１ 产物产物 反应物反应物 用于具体反应用于具体反应 AB+CD=AD+BC△△H0 ＝＝(ＨＨＡＤＡＤ＋Ｈ＋ＨＢＣＢＣ)－－(ＨＨＡＢＡＢ＋Ｈ＋ＨＣＤＣＤ)2024/8/1523盖斯定律盖斯定律恒压或恒容下，如果一个化学反应分恒压或恒容下，如果一个化学反应分几步进行，则总反应的反应热等于各几步进行，则总反应的反应热等于各步反应热之和步反应热之和。

即：即：2024/8/1524熵与焓和温度的关系2024/8/1525反应焓和熵的计算2024/8/1526吉布斯自由能计算2024/8/1527吉布斯自由能与反应自发性及电压的关系△G＞0，非自发；△G＝0，平衡；△G＜0，自发2024/8/1528标准电极电势 任何温度下标准氢电极的标准电极电任何温度下标准氢电极的标准电极电势值都为势值都为0 0，但其他电极电势值会受到温度影响 标准电极电势是可逆电极在标准状态及平衡态时的电势，也就是标准态时的电极电势 标准电极电势，就用该标准电极与氢标准电极串连，测得的电势值就作为该标准电极电势的值 2024/8/1529规定：标准氢电极用镀铂黑的金属铂导电2024/8/1530可逆电压随温度和压强的变化2024/8/1531Nernst equation 在电化学中，能斯特方程用来计算电在电化学中，能斯特方程用来计算电极上相对于标准电势（极上相对于标准电势（E E）来说的指定氧化）来说的指定氧化还原对的平衡电压还原对的平衡电压(E)(E) 电对的标准电极电势是在电对的标准电极电势是在298K298K下，反下，反应物的浓度为应物的浓度为1mol1mol·L L-1-1（反应物为气态时，（反应物为气态时，其分压为其分压为101kPa101kPa）时测得的，如果反应物）时测得的，如果反应物的浓度和温度发生改变，则电对的电极电的浓度和温度发生改变，则电对的电极电势也随着发生变化，它们之间的关系可以势也随着发生变化，它们之间的关系可以用能斯特方程表示．用能斯特方程表示． 2024/8/1532Nernst equation2024/8/1533Nernst equation2024/8/1534Nernst equation2024/8/1535燃料电池效率2024/8/1536燃料电池燃料电池电化学动力学电化学动力学2024/8/1537燃料电池电化学动力学电化学反应都包含电极和化学物质之间的电化学反应都包含电极和化学物质之间的电荷转移。

而化学反应中的电荷转移发生电荷转移而化学反应中的电荷转移发生在两种化学物质之间在两种化学物质之间燃料电池的电化学反应中，氢气、质子和燃料电池的电化学反应中，氢气、质子和电子之间的反应必须发生在电极和电解质电子之间的反应必须发生在电极和电解质的交界处的交界处2024/8/1538燃料电池电化学动力学电化学反应产电化学反应产生的电流是一生的电流是一种电化学反应种电化学反应速率的直接度速率的直接度量2024/8/1539电势控制电子能量2024/8/1540电化学反应速率是有限的2024/8/1541电荷转移需要一个活化能氢气氧化基本步骤：氢气氧化基本步骤：2024/8/1542氢吸附电荷转移过程2024/8/1543氢吸附电荷转移能量变化2024/8/1544活化能决定反应速率只有处于活化态的物质才能实现从反应物到生只有处于活化态的物质才能实现从反应物到生成物的转化所以反应速率取决于反应物处于成物的转化所以反应速率取决于反应物处于活化态的概率活化态的概率2024/8/1545反应速度计算2024/8/1546平衡态下的反应速率---交换电流密度2024/8/1547平衡条件下的反应电势 在电极上，开始由于正逆反应速率的差在电极上，开始由于正逆反应速率的差距，导致电子在金属电极上聚集，而质子距，导致电子在金属电极上聚集，而质子在电解质上聚集。

在电解质上聚集 在反应界面两侧，由于电子和质子的聚在反应界面两侧，由于电子和质子的聚集，产生电势差集，产生电势差 如果反应物和生成物之间的自由能态之如果反应物和生成物之间的自由能态之差和界面电势差正好相互抵消，电极达到差和界面电势差正好相互抵消，电极达到平衡状态平衡状态2024/8/1548平衡条件下的反应电势2024/8/1549平衡条件下的反应电势2024/8/1550平衡条件下的反应电势2024/8/1551电势和速率的关系：Butler-Volmer方程 如果降低界面电势差如果降低界面电势差ηη（即活化过电（即活化过电势），系统处于不平衡状态，正向活化能势），系统处于不平衡状态，正向活化能降低了降低了αnFηαnFη，逆向活化能升高了（，逆向活化能升高了（1-1-αα））nFηnFη正反应速度提高正反应速度提高ΑΑ是传递系统，表示反应界面电势的改变是传递系统，表示反应界面电势的改变如何改变正向和逆向活化能的大小，一般如何改变正向和逆向活化能的大小，一般在在0.2-0.50.2-0.5之间2024/8/1552电势和速率的关系：Butler-Volmer方程2024/8/1553电势和速率的关系：Butler-Volmer方程2024/8/1554电势和速率的关系：Butler-Volmer方程交换电流密度和浓度的关系：交换电流密度和浓度的关系：2024/8/1555电势和速率的关系：Butler-Volmer方程2024/8/1556电势和速率的关系：Butler-Volmer方程Butler-VolmerButler-Volmer方程是电化学动力学的基石。

方程是电化学动力学的基石阐述了电化学反应产生的电流随活化过电阐述了电化学反应产生的电流随活化过电势的指数倍增加势的指数倍增加活化过电势活化过电势ηη是电化学过程中为了克服活是电化学过程中为了克服活化能垒而损失的电压化能垒而损失的电压2024/8/1557电势和速率的关系：Butler-Volmer方程2024/8/1558电势和速率的关系：Butler-Volmer方程2024/8/1559改善反应动力学性能n增加反应物浓度；增加反应物浓度；n降低反应活化能；降低反应活化能；n提高反应温度；提高反应温度；n增加有效反应界面增加有效反应界面2024/8/1560活化动力学的简化：Tafel方程2024/8/1561活化动力学的简化：Tafel方程2024/8/1562燃料电池电荷传输燃料电池电荷传输2024/8/1563燃料电池电荷传输 燃料电池中有三种动力可以驱动电荷传输：燃料电池中有三种动力可以驱动电荷传输：电学驱动力，即电势梯度电学驱动力，即电势梯度dV/dxdV/dx；化学驱动力，；化学驱动力，即化学势梯度即化学势梯度dμ/dxdμ/dx和机械驱动力和机械驱动力dP/dxdP/dx。

在金属电极中，只有电势梯度可以驱动电子在金属电极中，只有电势梯度可以驱动电子传输在电解质中，化学势（即浓度）梯度和电传输在电解质中，化学势（即浓度）梯度和电势梯度都可以驱动质子传输势梯度都可以驱动质子传输 在燃料电池中，电学（电势梯度）驱动力对在燃料电池中，电学（电势梯度）驱动力对电荷传输起主导作用也就是说，质子积累电荷传输起主导作用也就是说，质子积累/ /消消耗电学效果形成的电势梯度的作用远远大于质子耗电学效果形成的电势梯度的作用远远大于质子积累积累/ /消耗化学效果形成的浓度梯度的作用消耗化学效果形成的浓度梯度的作用2024/8/1564燃料电池电荷传输2024/8/1565电荷传输导致的电压损失2024/8/1566电阻随面积变化2024/8/1567电阻随面积变化2024/8/1568阻抗的可加性2024/8/1569主导阻抗2024/8/1570电导率 电导率是一种材料适合电荷传输好坏程电导率是一种材料适合电荷传输好坏程度，表示在电场驱动下一种材料允许电荷度，表示在电场驱动下一种材料允许电荷传输的能力传输的能力影响材料电导率的因素：影响材料电导率的因素：1、材料中载流子的浓度；、材料中载流子的浓度；2、载流子在材料中的迁移率。

载流子在材料中的迁移率2024/8/1571电导率2024/8/1572电子导体与离子导体2024/8/1573电子电导率和离子电导率聚合物电解质离子扩散率为聚合物电解质离子扩散率为10-8m2/s，固体电，固体电解质离子电导率比金属电子电导率低很多解质离子电导率比金属电子电导率低很多2024/8/1574燃料电池电解质的要求n高离子电导率；高离子电导率；n低电子电导率；低电子电导率；n高稳定性；高稳定性；n低燃料渗透；低燃料渗透；n合理的机械强度；合理的机械强度；n容易制备容易制备2024/8/1575聚合物电解质中的离子传导聚合物要传输离子必须具备：固定电荷节点和自聚合物要传输离子必须具备：固定电荷节点和自由体积固定电荷节点应具有相反电荷来保证聚合物的静固定电荷节点应具有相反电荷来保证聚合物的静电荷平衡；固定电荷节点提供了容纳或释放自由电荷平衡；固定电荷节点提供了容纳或释放自由离子的临时中心离子的临时中心聚合物的结构不是完全致密的，这种自由体积改聚合物的结构不是完全致密的，这种自由体积改善了离子的穿过能力，增加自由体积会增加聚合善了离子的穿过能力，增加自由体积会增加聚合物内小规模结构振动和移动范围，这些运动会引物内小规模结构振动和移动范围，这些运动会引起离子从一个节点向另一个节点转移。

起离子从一个节点向另一个节点转移2024/8/1576聚合物电解质中的离子传导2024/8/1577聚合物电解质中的离子传导聚合物自由体积也为车载机制离子传输提聚合物自由体积也为车载机制离子传输提供了场所供了场所在车载机制中，离子在某种自由物质经过在车载机制中，离子在某种自由物质经过时搭载上这些车辆，通过自由体积空间实时搭载上这些车辆，通过自由体积空间实现传输水是一种常见的自由载体物质，当水分穿水是一种常见的自由载体物质，当水分穿过聚合物中自由体积时，离子可以随同搭过聚合物中自由体积时，离子可以随同搭载2024/8/1578Nafion中的离子传输 Nafion Nafion具有聚四氟乙烯（具有聚四氟乙烯（TeflonTeflon）支撑）支撑骨架结构，与骨架结构，与TeflonTeflon不同的是不同的是NafionNafion包含包含磺酸基（磺酸基（SOSO3 3- -H H+ +）功能团 Teflon Teflon提供了机械强度，磺酸基提供了提供了机械强度，磺酸基提供了固定电荷节点而固定电荷节点而NafionNafion链的相互交联形链的相互交联形成了自由体积，即孔隙。

成了自由体积，即孔隙NafionNafion湿润后的湿润后的水分为自由载体，和质子形成水合质子，水分为自由载体，和质子形成水合质子，在孔隙中传递在孔隙中传递 Teflon Teflon的憎水性加速了膜中的水的传输的憎水性加速了膜中的水的传输2024/8/1579Nafion2024/8/1580NafionnNafionNafion的孔状结构可以容纳很多水分的孔状结构可以容纳很多水分当充分湿润时，其体积可以增长当充分湿润时，其体积可以增长22%22%nNafionNafion膜的导电率和水分含量密切相关，膜的导电率和水分含量密切相关，测量水分含量是测量膜电导率的关键测量水分含量是测量膜电导率的关键nNafionNafion膜含水量膜含水量λλ是每个带电节点携带是每个带电节点携带水分子的数目水分子的数目nNafionNafion膜含水量膜含水量λλ的范围为的范围为0-22.0-22.2024/8/1581Nafion2024/8/1582Nafion2024/8/1583电渗作用水迁移质子以水合质子的形式移动，每个质子都会携带一质子以水合质子的形式移动，每个质子都会携带一个或几个水分在个或几个水分在Nafion膜的孔隙中移动。

每个质膜的孔隙中移动每个质子携带水分子的数目是电渗作用系数子携带水分子的数目是电渗作用系数ndrag（（λ=22）在膜充分湿润时，）在膜充分湿润时， ndrag=2.5±0.2（温度在（温度在30℃℃到到50℃℃）2024/8/1584膜中水分的反扩散通常通常PEMPEM燃料电池阴极的水分浓度比阳极高，燃料电池阴极的水分浓度比阳极高，水分在浓差作用下出现反扩散水分在浓差作用下出现反扩散2024/8/1585Nafion等效质量等效质量= =原子或原子或分子质量分子质量/ /化合价化合价NafionNafion中磺酸基中磺酸基（（SOSO3 3- -H H+ +）是）是1 1价，价，一个磺酸基只能结一个磺酸基只能结合一个质子，因此，合一个质子，因此，等效质量为加一个等效质量为加一个质子的聚合物结构质子的聚合物结构的平均质量的平均质量NafionNafion等效质量一般为等效质量一般为1-1.1kg/mol1-1.1kg/mol，干，干态密度为态密度为1970kg/m1970kg/m3 32024/8/1586Nafion2024/8/1587Nafion2024/8/1588燃料电池质量传输燃料电池质量传输2024/8/1589燃料电池质量传输燃料电池中的质量传输包括：燃料电池中的质量传输包括：1 1、氢气在流场和阳极中的传递；、氢气在流场和阳极中的传递；2 2、氧气和氮气在流场和阴极中的传递；、氧气和氮气在流场和阴极中的传递；3 3、电子在阴极和阳极中的传递；、电子在阴极和阳极中的传递；4 4、质子在催化剂层和膜中的传递；、质子在催化剂层和膜中的传递；5 5、水分在整个燃料电池中的传递。

水分在整个燃料电池中的传递2024/8/1590燃料电池质量传输2024/8/1591流场和电极中的质量传输2024/8/1592电极中的质量传输2024/8/1593电极中的质量传输2024/8/1594电极中的质量传输2024/8/1595有效扩散系数2024/8/1596极限电流密度2024/8/1597浓差过电压 催化剂层中由催化剂层中由于反应物消耗引起于反应物消耗引起的压力损耗叫浓差的压力损耗叫浓差过电压（过电压（ηηconcconc） 浓度对燃料电浓度对燃料电池的影响包括通过池的影响包括通过NernstNernst方程和反应方程和反应动力学来影响动力学来影响2024/8/1598浓差过电压2024/8/1599浓差过电压由由Butler-VolmerButler-Volmer方程也可以得到浓差过电压方程也可以得到浓差过电压2024/8/15100浓差过电压2024/8/15101流道中的对流传质2024/8/15102流道中的对流传质2024/8/15103流道中的对流传质2024/8/15104气体在流道中的消耗2024/8/15105气体在流道中的消耗催化剂层消耗的氧气：催化剂层消耗的氧气：扩散层扩散的氧气：扩散层扩散的氧气：2024/8/15106气体在流道中的消耗通过气体通道和扩散层界面的氧气：通过气体通道和扩散层界面的氧气：催化剂层消耗的氧气等于扩散层扩散的催化剂层消耗的氧气等于扩散层扩散的氧气，等于从气体通道进入扩散层的氧氧气，等于从气体通道进入扩散层的氧气：气：2024/8/15107气体在流道中的消耗由上述关系式可以得到：由上述关系式可以得到：输入的氧气减排除的氧气等于进入扩散层的氧气：输入的氧气减排除的氧气等于进入扩散层的氧气：2024/8/15108气体在流道中的消耗氧气的总消耗：氧气的总消耗：上述方程式联立得到：上述方程式联立得到：2024/8/15109流场设计2024/8/15110流场设计2024/8/15111燃料电池模型2024/8/15112燃料电池模型2024/8/15113燃料电池模型2024/8/15114燃料电池模型2024/8/15115燃料电池模型2024/8/15116燃料电池一维模型-通量平衡2024/8/15117电流和消耗通量平衡2024/8/15118水分通量平衡2024/8/15119一维模型描述2024/8/15120模型控制方程2024/8/15121PEMFC一维模型范例2024/8/15122PEMFC一维模型范例2024/8/15123PEMFC一维模型范例2024/8/15124PEMFC一维模型范例2024/8/15125PEMFC一维模型范例2024/8/15126燃料电池模型控制方程2024/8/15127燃料电池模型控制方程2024/8/15128燃料电池模型控制方程2024/8/15129燃料电池模型控制方程2024/8/15130燃料电池表征燃料电池表征2024/8/15131燃料电池表征参数参数燃料电池的特征参数包括：燃料电池的特征参数包括：n总体性能：总体性能：i-Vi-V曲线、功率密度；曲线、功率密度；n动力学特性：动力学特性：ηηactact，，j j0 0，，αα，活性表面积；，活性表面积；n欧姆特性：欧姆特性：R Rohmicohmic，电解质电导率，接触电阻，，电解质电导率，接触电阻，电极电阻；电极电阻；n质量传输特性：质量传输特性：j jL L，，D Deffeff，压强损耗，电化学反，压强损耗，电化学反应的均匀性；应的均匀性；n损耗：损耗：j jleakleak, ,副反应，燃料渗漏；副反应，燃料渗漏；2024/8/15132燃料电池的表征n电极结构特性：孔隙率，弯曲率，电导率；电极结构特性：孔隙率，弯曲率，电导率；n催化剂结构特性：厚度，孔隙率，催化剂负载，催化剂结构特性：厚度，孔隙率，催化剂负载，颗粒大小，活性表面积，利用率，三相界面，颗粒大小，活性表面积，利用率，三相界面，离子传导率，电子传导率；离子传导率，电子传导率；n流场结构特性：压降，气体分布，电导率；流场结构特性：压降，气体分布，电导率；n热产生和热平衡；热产生和热平衡；n寿命特性：寿命测试，退化，循环，开启寿命特性：寿命测试，退化，循环，开启/关关闭，失效，侵蚀，疲劳；闭，失效，侵蚀，疲劳；2024/8/15133主要表征方法n电流电流- -电压测量法；电压测量法；n电流干扰测量法；电流干扰测量法；n电化学阻抗谱法；电化学阻抗谱法；n循环伏安法；循环伏安法；n孔隙率测量；孔隙率测量；n 表面积测量；表面积测量；n 透气性测量；透气性测量；n 结构测量；结构测量；n 化学测量。

化学测量2024/8/15134电流-电压测量稳定性稳定性燃料电池电流电压测试时，系统必须保持燃料电池电流电压测试时，系统必须保持稳定，也就是说在测量数据时，系统稳定稳定，也就是说在测量数据时，系统稳定获得的数据才能有效获得的数据才能有效测量条件测量条件反应气体和电池本身预热；反应气体和电池本身预热；加湿和电池温度；加湿和电池温度；气体的压力和流速气体的压力和流速2024/8/15135电流-电压测量2024/8/15136电化学阻抗谱法EIS2024/8/15137电化学阻抗谱法EIS2024/8/15138电化学阻抗谱法EIS2024/8/15139电化学阻抗谱法EIS2024/8/15140EIS-Nyquist图2024/8/15141电化学阻抗谱法EIS燃料电池内部过程的电路元素模型叫等效燃料电池内部过程的电路元素模型叫等效电路模型电路模型2024/8/15142电化学阻抗谱法EIS电电化化学学反反应应2024/8/15143电化学阻抗谱法EIS2024/8/15144电化学阻抗谱法EIS2024/8/15145电化学阻抗谱法EIS2024/8/15146电化学阻抗谱法EIS质量传输阻抗主要是扩散阻力质量传输阻抗主要是扩散阻力2024/8/15147电化学阻抗谱法EIS2024/8/15148电化学阻抗谱法EIS燃料电池消耗过程有：阳极活化、阴极活燃料电池消耗过程有：阳极活化、阴极活化、阴极质量传输和欧姆损失。

化、阴极质量传输和欧姆损失2024/8/15149简单燃料电池EIS2024/8/15150电化学阻抗谱法EIS2024/8/15151电化学阻抗谱法EIS2024/8/15152循环伏安法CV2024/8/15153循环伏安法CV2024/8/15154循环伏安法CV燃料电池中，通过燃料电池中，通过CVCV测量来确定催化剂的活测量来确定催化剂的活性氢气在催化剂层表面的化学吸附电流和性氢气在催化剂层表面的化学吸附电流和化学脱附电流，电流在电压扫描过程中出现化学脱附电流，电流在电压扫描过程中出现变动2024/8/15155燃料电池系统2024/8/15156燃料电池子系统2024/8/15157燃料处理子系统2024/8/15158燃料重整方法2024/8/15159重整气体中CO的去除2024/8/15160电力电子子系统2024/8/15161热管理子系统2024/8/15162燃料电池控制子系统2024/8/15163谢谢！谢谢！2024/8/15164。