[发明专利]一种测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体为一种新型的测量氧气浓度分布的质子交换膜燃料电池结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。阳极内氢气电极反应生成的电子经外电路到达阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极，在阴极内氧气与氢离子及电子反应生成水。质子交换膜燃料电池具有室温快速启动、高效、环境有好、结构紧凑、操作简单、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，所以不仅可用于建设分散电站，也特别适宜于用作可移动动力源，是电动车的理想候选电源之一。

由于车用质子交换膜燃料电池往往需要具有较大的功率，所以要求燃料电池单体具有很大的面积，以减少并联电池组的个数，从而便于电池组管理和系统优化。对于大面积质子交换膜燃料电池，沿着流道方向，由于反应气不断消耗，导致电池内不同位置处的反应气浓度并不相同。而且在动态操作时，尤其在加载瞬间，由于气体响应速率滞后于加载速率，电池局部位置会发生燃料和氧化剂欠气，这就使得在加载瞬间燃料电池内部反应气的浓度分布更加不均匀。反应气分布不均匀会导致电流、电势、温度和湿度等参数的分布也极不均匀，严重时会使得局部位置出现电流过大、电势过高、温度过高和湿度过低等现象，引起膜、催化剂等的局部提前衰减，导致燃料电池局部失效。局部失效影响了燃料电池的正常运行，导致燃料电池的整体寿命缩短，而目前燃料电池的寿命较短是制约其商业化的一个主要因素。

燃料电池反应气分布不均匀的现象在阴极以空气为氧化剂时表现的最为明显。所以需要对采用空气作为氧化剂时，燃料电池阴极内部的氧气浓度分布进行测量，从而为研究燃料电池的衰减行为提供依据。然而由于燃料电池内部的尺寸限制，对其氧气浓度分布的在线测量非常困难，目前很少有学者对此进行报道。

对于质子交换膜燃料电池，总反应方程式为：

H₂+1/2O₂→H₂O

其电池标准电动势

其中，T为温度；ΔS⁰为反应的标准熵变，即：-163.161J·mol^-1·K^-1；ΔH⁰为反应的标准焓变，即：-285.838kJ·mol^-1；F为法拉第常数，即：96493C。

因此，在标准状态下(T＝298K，101325Pa)，可以计算出电池的标准电动势E⁰＝1.229V，然而电池的运行条件一般均偏离标准状态。

根据Nernst方程，在不同条件下：

电池电动势

假设电池生成水为液态，H₂与O₂均为理想气体，则若以标准大气压作为压力的单位，则P⁰＝1；假设阴极和阳极压力相同，均为P，由于阳极采用的是纯氢，则设阴极氧气摩尔浓度为则

因此，Nernst方程可写为：

在上式中，ΔS⁰、ΔH⁰、F、R均为已知常数，所以电池电动势E为温度、压力和氧气浓度的函数，即

对于质子交换膜燃料电池，其开路电压一般要低于电池电动势。一方面是由于氧气在电极材料上的交换电流密度非常小，往往小于某些杂质的交换电流密度，所以在电极上建立的电位往往不是氧气还原反应的平衡电位，而是受到杂质反应的影响，建立起了一个杂质与氧气共同的稳定电位。另一个方面的原因是，电池中存在氢气透过膜从阳极到阴极的渗透，这样即使外部电路处于开路状态，电池也有内部电流的存在，而使电池处于非平衡状态。开路电压与电池电动势的差值称为开路极化。假设开路极化为常数K，则

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