燃料電池基礎(chǔ)理論動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)研究方法

燃料電池基礎(chǔ)理論動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)研究方法熱量傳遞得三種基本方式1導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))(Conduction)熱量傳遞得三種基本方式:導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo))、對(duì)流(熱對(duì)流)和熱輻射。(1)定義:指溫度不同得物體各部分或溫度不同得兩物體間直接接觸時(shí),依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行得熱量傳遞現(xiàn)象(2)物質(zhì)得屬性:可以在固體、液體、氣體中發(fā)生(3)導(dǎo)熱得特點(diǎn):a必須有溫差;b物體直接接觸;c依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量;d在引力場(chǎng)下單純得導(dǎo)熱只發(fā)生在密實(shí)固體中。2024/10/152(4)導(dǎo)熱得基本定律:1822年,法國(guó)數(shù)學(xué)家Fourier:上式稱(chēng)為Fourier定律,號(hào)稱(chēng)導(dǎo)熱基本定律,就是一個(gè)一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。其中:

:熱流量,單位時(shí)間傳遞得熱量[W];q:熱流密度,單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞得熱量;A:垂直于導(dǎo)熱方向得截面積[m2];

:導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)[W/(mK)]。圖1-2一維穩(wěn)態(tài)平板內(nèi)導(dǎo)熱t(yī)0

x

dxdtQ2024/10/153定義:流體中(氣體或液體)溫度不同得各部分之間,由于發(fā)生相對(duì)得宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)而把熱量由一處傳遞到另一處得現(xiàn)象。2對(duì)流(熱對(duì)流)(Convection)(2)對(duì)流換熱:當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)得熱量傳遞過(guò)程,她與單純得對(duì)流不同,具有如下特點(diǎn):a導(dǎo)熱與熱對(duì)流同時(shí)存在得復(fù)雜熱傳遞過(guò)程b必須有直接接觸(流體與壁面)和宏觀(guān)運(yùn)動(dòng);也必須有溫差c壁面處會(huì)形成速度梯度很大得邊界層對(duì)流換熱得分類(lèi)無(wú)相變:強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流有相變:沸騰換熱和凝結(jié)換熱2024/10/154Convectionheattransfercoefficient(4)對(duì)流換熱得基本計(jì)算公式——牛頓冷卻公式h

—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

—熱流量[W]，單位時(shí)間傳遞的熱量q—熱流密度A—與流體接觸的壁面面積—固體壁表面溫度—流體溫度2024/10/155(1)定義:有熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生得,以電磁波形式傳遞能量得現(xiàn)象3熱輻射(Thermalradiation)(2)特點(diǎn):a任何物體,只要溫度高于0K,就會(huì)不停地向周?chē)臻g發(fā)出熱輻射;b可以在真空中傳播;c伴隨能量形式得轉(zhuǎn)變;d具有強(qiáng)烈得方向性;e輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān);f發(fā)射輻射取決于溫度得4次方。(3)生活中得例子:a當(dāng)您靠近火得時(shí)候,會(huì)感到面向火得一面比背面熱;b冬天得夜晚,呆在有窗簾得屋子內(nèi)會(huì)感到比沒(méi)有窗簾時(shí)要舒服;c太陽(yáng)能傳遞到地面d冬天,蔬菜大棚內(nèi)得空氣溫度在0℃以上,但地面卻可能結(jié)冰。2024/10/156傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1傳熱過(guò)程得定義:兩流體間通過(guò)固體壁面進(jìn)行得換熱2傳熱過(guò)程包含得傳熱方式:導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射輻射換熱、對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)圖1－8墻壁的散熱2024/10/157在導(dǎo)熱體中取一微元體熱力學(xué)第一定律:

d

時(shí)間內(nèi)微元體中:[導(dǎo)入與導(dǎo)出凈熱量]+[內(nèi)熱源發(fā)熱量]=[熱力學(xué)能得增加]1、導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體得凈熱量d

時(shí)間內(nèi)、沿x軸方向、經(jīng)x表面導(dǎo)入得熱量:2024/10/158大家有疑問(wèn)的，可以詢(xún)問(wèn)和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)４、邊界條件說(shuō)明導(dǎo)熱體邊界上過(guò)程進(jìn)行得特點(diǎn)反映過(guò)程與周?chē)h(huán)境相互作用得條件邊界條件一般可分為三類(lèi):第一類(lèi)、第二類(lèi)、第三類(lèi)邊界條件(１)第一類(lèi)邊界條件s

—邊界面;tw=f(x,y,z)—邊界面上得溫度已知任一瞬間導(dǎo)熱體邊界上溫度值:穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:tw=const非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:tw=f(

)(Boundaryconditions)2024/10/1510(2)第二類(lèi)邊界條件根據(jù)傅里葉定律:已知物體邊界上熱流密度得分布及變化規(guī)律:第二類(lèi)邊界條件相當(dāng)于已知任何時(shí)刻物體邊界面法向得溫度梯度值穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:qw非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:特例:絕熱邊界面:2024/10/1511(3)第三類(lèi)邊界條件傅里葉定律:當(dāng)物體壁面與流體相接觸進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí),已知任一時(shí)刻邊界面周?chē)黧w得溫度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)導(dǎo)熱微分方程式得求解方法導(dǎo)熱微分方程＋單值性條件＋求解方法

溫度場(chǎng)積分法、杜哈美爾法、格林函數(shù)法、拉普拉斯變換法、分離變量法、積分變換法、數(shù)值計(jì)算法tf,hqw牛頓冷卻定律:2024/10/1512內(nèi)能(U)廣義地說(shuō),內(nèi)能就是由系統(tǒng)內(nèi)部狀況決定得能量。熱力學(xué)系統(tǒng)由大量分子、原子組成,儲(chǔ)存在系統(tǒng)內(nèi)部得能量就是全部微觀(guān)粒子各種能量得總和,即微觀(guān)粒子得動(dòng)能、勢(shì)能、化學(xué)能、電離能、核能等等得總和。由于在系統(tǒng)經(jīng)歷得熱力學(xué)過(guò)程中,物質(zhì)得分子、原子、原子核得結(jié)構(gòu)一般都不發(fā)生變化,即分子得內(nèi)部能量保持不變。2024/10/1513內(nèi)能(U)

系統(tǒng)得內(nèi)能通常就是指全部分子得動(dòng)能以及分子間相互作用勢(shì)能之和,前者包括分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)得動(dòng)能,后者就是所有可能得分子對(duì)之間相互作用勢(shì)能得總和。內(nèi)能就是態(tài)函數(shù)。真實(shí)氣體得內(nèi)能就是溫度和體積得函數(shù)。理想氣體得分子間無(wú)相互作用,其內(nèi)能只就是溫度得函數(shù)。2024/10/1514熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律:也叫能量不滅原理,就就是能量守恒定律。dU=dQ-dW對(duì)于機(jī)械功:dW=pdV所以:dU=dQ-pdV2024/10/1515熵(entropy)物理學(xué)上指熱能除以溫度所得得商,標(biāo)志熱量轉(zhuǎn)化為功得程度?？茖W(xué)技術(shù)上用來(lái)描述、表征體系混亂度得函數(shù)。

熱力學(xué)中工質(zhì)得熱力狀態(tài)參數(shù)之一。在可逆微變化過(guò)程中,熵得變化等于系統(tǒng)從熱源吸收得熱量與熱源得熱力學(xué)溫度之比,可用于度量熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ贸潭取S=dQ/T→dQ=T·dS2024/10/1516熵(entropy)Ｓ＝ｋ×lgΩ其中,Ω為系統(tǒng)分子得狀態(tài)數(shù),ｋ為玻爾茲曼常數(shù)。由熵與熱力學(xué)幾率之間得關(guān)系,可以認(rèn)為:系統(tǒng)得熵值直接反映了她所處狀態(tài)得均勻程度,系統(tǒng)得熵值越小,她所處得狀態(tài)越就是有序;系統(tǒng)得熵值越大,她所處得狀態(tài)越就是無(wú)序。熵均大于等于零,dS≥0。2024/10/1517熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律一種常用得表達(dá)方式就是,每一個(gè)自發(fā)得物理或化學(xué)過(guò)程總就是向著熵增高得方向發(fā)展,熵增加原理就就是熱力學(xué)第二定律。熵就是一種不能轉(zhuǎn)化為功得熱能。熵得改變量等于熱量得改變量除以絕對(duì)溫度。熱能不能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,只能從高溫物體傳到低溫物體。2024/10/1518焓熱力學(xué)中用來(lái)表示物質(zhì)系統(tǒng)能量得一個(gè)狀態(tài)函數(shù),常用符號(hào)H表示。數(shù)值上等于系統(tǒng)得內(nèi)能U加上壓強(qiáng)p和體積V得乘積,即H=U+pV。焓得變化就是系統(tǒng)在等壓可逆過(guò)程中所吸收得熱量得度量。

2024/10/1519自由能自由能freeenergy:在熱力學(xué)當(dāng)中,自由能就是指在某一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程中,系統(tǒng)減少得內(nèi)能中可以轉(zhuǎn)化為對(duì)外作功得部分。她衡量得就是:在一個(gè)特定得熱力學(xué)過(guò)程中,系統(tǒng)可對(duì)外輸出得“有用能量”?？煞譃楹ツ坊羝澴杂赡芎图妓棺杂赡?/p>

2024/10/1520自由能按照亥姆霍茲得定容自由能F與吉布斯得定壓自由能G得定義,G=A+PV(p為壓力,V為體積)。對(duì)于亥姆霍茲定容自由能F:dF=-SdT-VdP對(duì)于吉布斯定壓自由能G:dG=-SdT+PdV2024/10/1521焓變dH=TdS+VdP化學(xué)過(guò)程中得焓變:△H=Ｈ產(chǎn)物－Ｈ反應(yīng)物;

△H稱(chēng)為焓變,△H具有Ｈ得特征,但可測(cè)定。2024/10/15221、標(biāo)準(zhǔn)條件:⑴、熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài):溫度298K、標(biāo)準(zhǔn)壓力、且純態(tài)。⑵、穩(wěn)定單質(zhì):標(biāo)態(tài)下,某元素以多種形式存在時(shí),焓值最低,即最穩(wěn)定得為穩(wěn)定單質(zhì)。⑶、人為指定標(biāo)態(tài)下,穩(wěn)定單質(zhì)得標(biāo)準(zhǔn)生成焓規(guī)定為零。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓2024/10/1523化學(xué)反應(yīng)熱得熱力學(xué)求算利用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓求算△H0由:Qp＝△Ｈ＝Ｈ２－Ｈ１

產(chǎn)物反應(yīng)物

用于具體反應(yīng)AB+CD=AD+BC△H0

＝(ＨＡＤ＋ＨＢＣ)－(ＨＡＢ＋ＨＣＤ)2024/10/1524蓋斯定律恒壓或恒容下,如果一個(gè)化學(xué)反應(yīng)分幾步進(jìn)行,則總反應(yīng)得反應(yīng)熱等于各步反應(yīng)熱之和。即:2024/10/1525熵與焓和溫度得關(guān)系2024/10/1526反應(yīng)焓和熵得計(jì)算2024/10/1527吉布斯自由能計(jì)算2024/10/1528吉布斯自由能與反應(yīng)自發(fā)性及電壓得關(guān)系△G＞0,非自發(fā);△G＝0,平衡;△G＜0,自發(fā)。2024/10/1529標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)

任何溫度下標(biāo)準(zhǔn)氫電極得標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)值都為0,但其她電極電勢(shì)值會(huì)受到溫度影響。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)就是可逆電極在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及平衡態(tài)時(shí)得電勢(shì),也就就是標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)得電極電勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì),就用該標(biāo)準(zhǔn)電極與氫標(biāo)準(zhǔn)電極串連,測(cè)得得電勢(shì)值就作為該標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)得值。2024/10/1530規(guī)定:標(biāo)準(zhǔn)氫電極用鍍鉑黑得金屬鉑導(dǎo)電2024/10/1531可逆電壓隨溫度和壓強(qiáng)得變化2024/10/1532Nernstequation

在電化學(xué)中,能斯特方程用來(lái)計(jì)算電極上相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)(E)來(lái)說(shuō)得指定氧化還原對(duì)得平衡電壓(E)。電對(duì)得標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)就是在298K下,反應(yīng)物得濃度為1mol·L-1(反應(yīng)物為氣態(tài)時(shí),其分壓為101kPa)時(shí)測(cè)得得,如果反應(yīng)物得濃度和溫度發(fā)生改變,則電對(duì)得電極電勢(shì)也隨著發(fā)生變化,她們之間得關(guān)系可以用能斯特方程表示、

2024/10/1533Nernstequation2024/10/1534Nernstequation2024/10/1535Nernstequation2024/10/1536燃料電池效率2024/10/1537燃料電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)2024/10/1538燃料電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)電化學(xué)反應(yīng)都包含電極和化學(xué)物質(zhì)之間得電荷轉(zhuǎn)移。而化學(xué)反應(yīng)中得電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生在兩種化學(xué)物質(zhì)之間。燃料電池得電化學(xué)反應(yīng)中,氫氣、質(zhì)子和電子之間得反應(yīng)必須發(fā)生在電極和電解質(zhì)得交界處。2024/10/1539燃料電池電化學(xué)動(dòng)力學(xué)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生得電流就是一種電化學(xué)反應(yīng)速率得直接度量。2024/10/1540電勢(shì)控制電子能量2024/10/1541電化學(xué)反應(yīng)速率就是有限得2024/10/1542電荷轉(zhuǎn)移需要一個(gè)活化能氫氣氧化基本步驟:2024/10/1543氫吸附電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程2024/10/1544氫吸附電荷轉(zhuǎn)移能量變化2024/10/1545活化能決定反應(yīng)速率只有處于活化態(tài)得物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)從反應(yīng)物到生成物得轉(zhuǎn)化。所以反應(yīng)速率取決于反應(yīng)物處于活化態(tài)得概率。2024/10/1546反應(yīng)速度計(jì)算2024/10/1547平衡態(tài)下得反應(yīng)速率---

交換電流密度2024/10/1548平衡條件下得反應(yīng)電勢(shì)在電極上,開(kāi)始由于正逆反應(yīng)速率得差距,導(dǎo)致電子在金屬電極上聚集,而質(zhì)子在電解質(zhì)上聚集。在反應(yīng)界面兩側(cè),由于電子和質(zhì)子得聚集,產(chǎn)生電勢(shì)差。如果反應(yīng)物和生成物之間得自由能態(tài)之差和界面電勢(shì)差正好相互抵消,電極達(dá)到平衡狀態(tài)。2024/10/1549平衡條件下得反應(yīng)電勢(shì)2024/10/1550平衡條件下得反應(yīng)電勢(shì)2024/10/1551平衡條件下得反應(yīng)電勢(shì)2024/10/1552電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程如果降低界面電勢(shì)差η(即活化過(guò)電勢(shì)),系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài),正向活化能降低了αnFη,逆向活化能升高了(1-α)nFη。正反應(yīng)速度提高。Α就是傳遞系統(tǒng),表示反應(yīng)界面電勢(shì)得改變?nèi)绾胃淖冋蚝湍嫦蚧罨艿么笮?一般在0、2-0、5之間。2024/10/1553電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程2024/10/1554電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程2024/10/1555電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程交換電流密度和濃度得關(guān)系:2024/10/1556電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程2024/10/1557電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程Butler-Volmer方程就是電化學(xué)動(dòng)力學(xué)得基石。闡述了電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生得電流隨活化過(guò)電勢(shì)得指數(shù)倍增加。活化過(guò)電勢(shì)η就是電化學(xué)過(guò)程中為了克服活化能壘而損失得電壓。2024/10/1558電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程2024/10/1559電勢(shì)和速率得關(guān)系:

Butler-Volmer方程2024/10/1560改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能增加反應(yīng)物濃度;降低反應(yīng)活化能;提高反應(yīng)溫度;增加有效反應(yīng)界面。2024/10/1561活化動(dòng)力學(xué)得簡(jiǎn)化:Tafel方程2024/10/1562活化動(dòng)力學(xué)得簡(jiǎn)化:Tafel方程2024/10/1563燃料電池電荷傳輸2024/10/1564燃料電池電荷傳輸燃料電池中有三種動(dòng)力可以驅(qū)動(dòng)電荷傳輸:電學(xué)驅(qū)動(dòng)力,即電勢(shì)梯度dV/dx;化學(xué)驅(qū)動(dòng)力,即化學(xué)勢(shì)梯度dμ/dx和機(jī)械驅(qū)動(dòng)力dP/dx。在金屬電極中,只有電勢(shì)梯度可以驅(qū)動(dòng)電子傳輸。在電解質(zhì)中,化學(xué)勢(shì)(即濃度)梯度和電勢(shì)梯度都可以驅(qū)動(dòng)質(zhì)子傳輸。在燃料電池中,電學(xué)(電勢(shì)梯度)驅(qū)動(dòng)力對(duì)電荷傳輸起主導(dǎo)作用。也就就是說(shuō),質(zhì)子積累/消耗電學(xué)效果形成得電勢(shì)梯度得作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)子積累/消耗化學(xué)效果形成得濃度梯度得作用。2024/10/1565燃料電池電荷傳輸2024/10/1566電荷傳輸導(dǎo)致得電壓損失2024/10/1567電阻隨

面積變化2024/10/1568電阻隨面積變化2024/10/1569阻抗得可加性2024/10/1570主導(dǎo)阻抗2024/10/1571電導(dǎo)率電導(dǎo)率就是一種材料適合電荷傳輸好壞程度,表示在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下一種材料允許電荷傳輸?shù)媚芰?。影響材料電?dǎo)率得因素:1、材料中載流子得濃度;2、載流子在材料中得遷移率。2024/10/1572電導(dǎo)率2024/10/1573電子導(dǎo)體與離子導(dǎo)體2024/10/1574電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率聚合物電解質(zhì)離子擴(kuò)散率為10-8m2/s,固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率比金屬電子電導(dǎo)率低很多。2024/10/1575燃料電池電解質(zhì)得要求高離子電導(dǎo)率;低電子電導(dǎo)率;高穩(wěn)定性;低燃料滲透;合理得機(jī)械強(qiáng)度;容易制備。2024/10/1576聚合物電解質(zhì)中得離子傳導(dǎo)聚合物要傳輸離子必須具備:固定電荷節(jié)點(diǎn)和自由體積。固定電荷節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有相反電荷來(lái)保證聚合物得靜電荷平衡;固定電荷節(jié)點(diǎn)提供了容納或釋放自由離子得臨時(shí)中心。聚合物得結(jié)構(gòu)不就是完全致密得,這種自由體積改善了離子得穿過(guò)能力,增加自由體積會(huì)增加聚合物內(nèi)小規(guī)模結(jié)構(gòu)振動(dòng)和移動(dòng)范圍,這些運(yùn)動(dòng)會(huì)引起離子從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移。2024/10/1577聚合物電解質(zhì)中得離子傳導(dǎo)2024/10/1578聚合物電解質(zhì)中得離子傳導(dǎo)聚合物自由體積也為車(chē)載機(jī)制離子傳輸提供了場(chǎng)所。在車(chē)載機(jī)制中,離子在某種自由物質(zhì)經(jīng)過(guò)時(shí)搭載上這些車(chē)輛,通過(guò)自由體積空間實(shí)現(xiàn)傳輸。水就是一種常見(jiàn)得自由載體物質(zhì),當(dāng)水分穿過(guò)聚合物中自由體積時(shí),離子可以隨同搭載。2024/10/1579Nafion中得離子傳輸Nafion具有聚四氟乙烯(Teflon)支撐骨架結(jié)構(gòu),與Teflon不同得就是Nafion包含磺酸基(SO3-H+)功能團(tuán)。Teflon提供了機(jī)械強(qiáng)度,磺酸基提供了固定電荷節(jié)點(diǎn)。而Nafion鏈得相互交聯(lián)形成了自由體積,即孔隙。Nafion濕潤(rùn)后得水分為自由載體,和質(zhì)子形成水合質(zhì)子,在孔隙中傳遞。Teflon得憎水性加速了膜中得水得傳輸。2024/10/1580Nafion2024/10/1581NafionNafion得孔狀結(jié)構(gòu)可以容納很多水分。當(dāng)充分濕潤(rùn)時(shí),其體積可以增長(zhǎng)22%。Nafion膜得導(dǎo)電率和水分含量密切相關(guān),測(cè)量水分含量就是測(cè)量膜電導(dǎo)率得關(guān)鍵。Nafion膜含水量λ就是每個(gè)帶電節(jié)點(diǎn)攜帶水分子得數(shù)目。Nafion膜含水量λ得范圍為0-22、2024/10/1582Nafion2024/10/1583Nafion2024/10/1584電滲作用水遷移質(zhì)子以水合質(zhì)子得形式移動(dòng),每個(gè)質(zhì)子都會(huì)攜帶一個(gè)或幾個(gè)水分在Nafion膜得孔隙中移動(dòng)。每個(gè)質(zhì)子攜帶水分子得數(shù)目就是電滲作用系數(shù)ndrag(λ=22)。在膜充分濕潤(rùn)時(shí),ndrag=2、5±0、2(溫度在30℃到50℃)。2024/10/1585膜中水分得反擴(kuò)散通常PEM燃料電池陰極得水分濃度比陽(yáng)極高,水分在濃差作用下出現(xiàn)反擴(kuò)散。2024/10/1586Nafion等效質(zhì)量=原子或分子質(zhì)量/化合價(jià)Nafion中磺酸基(SO3-H+)就是1價(jià),一個(gè)磺酸基只能結(jié)合一個(gè)質(zhì)子,因此,等效質(zhì)量為加一個(gè)質(zhì)子得聚合物結(jié)構(gòu)得平均質(zhì)量。Nafion等效質(zhì)量一般為1-1、1kg/mol,干態(tài)密度為1970kg/m32024/10/1587Nafion2024/10/1588Nafion2024/10/1589燃料電池質(zhì)量傳輸2024/10/1590燃料電池質(zhì)量傳輸燃料電池中得質(zhì)量傳輸包括:1、氫氣在流場(chǎng)和陽(yáng)極中得傳遞;2、氧氣和氮?dú)庠诹鲌?chǎng)和陰極中得傳遞;3、電子在陰極和陽(yáng)極中得傳遞;4、質(zhì)子在催化劑層和膜中得傳遞;5、水分在整個(gè)燃料電池中得傳遞。2024/10/1591燃料電池質(zhì)量傳輸2024/10/1592流場(chǎng)和電極中得質(zhì)量傳輸2024/10/1593電極中得質(zhì)量傳輸2024/10/1594電極中得質(zhì)量傳輸2024/10/1595電極中得質(zhì)量傳輸2024/10/1596有效擴(kuò)散系數(shù)2024/10/1597極限電流密度2024/10/1598濃差過(guò)電壓催化劑層中由于反應(yīng)物消耗引起得壓力損耗叫濃差過(guò)電壓(ηconc)。濃度對(duì)燃料電池得影響包括通過(guò)Nernst方程和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)來(lái)影響。2024/10/1599濃差過(guò)電壓2024/10/15100濃差過(guò)電壓由Butler-Volmer方程也可以得到濃差過(guò)電壓。2024/10/15101濃差過(guò)電壓2024/10/15102流道中得對(duì)流傳質(zhì)2024/10/15103流道中得對(duì)流傳質(zhì)2024/10/15104流道中得對(duì)流傳質(zhì)2024/10/15105氣體在流道中得消耗2024/10/15106氣體在流道中得消耗催化劑層消耗得氧氣:擴(kuò)散層擴(kuò)散得氧氣:2024/10/15107氣體在流道中得消耗通過(guò)氣體通道和擴(kuò)散層界面得氧氣:催化劑層消耗得氧氣等于擴(kuò)散層擴(kuò)散得氧氣,等于從氣體通道進(jìn)入擴(kuò)散層得氧氣:2024/10/15108氣體在流道中得消耗由上述關(guān)系式可以得到:輸入得氧氣減排除得氧氣等于進(jìn)入擴(kuò)散層得氧氣:2024/10/15109氣體在流道中得消耗氧氣得總消耗:上述方程式聯(lián)立得到:2024/10/15110流場(chǎng)設(shè)計(jì)2024/10/15111流場(chǎng)設(shè)計(jì)2024/10/15112燃料電池模型2024/10/15113燃料電池模型2024/10/15114燃料電池模型2024/10/15115燃料電池模型2024/10/15116燃料電池模型2024/10/15117燃料電池一維模型-通量平衡2024/10/15118電流和消耗通量平衡2024/10/15119水分通量平衡2024/10/15120一維模型描述2024/10/15121模型控制方程2024/10/15122PEMFC一維模型范例2024/10/15123PEMFC一維模型范例2024/10/15124PEMFC一維模型范例2024/10/15125PEMFC一維模型范例2024/10/15126PEMFC一維模型范例2024/10/15127燃料電池模型控制方程2024/10/15128燃料電池模型控制方程2024/10/15129燃料電池模型控制方程2024/10/15130燃料電池模型控制方程2024/10/15131燃料電池表征2024/10/15132燃料電池表征參數(shù)燃料電池得特征參數(shù)包括:總體性能:i-V曲線(xiàn)、功率密度;動(dòng)力學(xué)特性:ηact,j0,α,活性表面積;歐姆特性:Rohmic,電解質(zhì)電導(dǎo)率,接觸電阻,電極電阻;質(zhì)量傳輸特性:jL,Deff,壓強(qiáng)損耗,電化學(xué)反應(yīng)得均勻性;損耗:jleak,副反應(yīng),燃料滲漏;2024/10/15133燃料電池得表征電極結(jié)構(gòu)特性:孔隙率,彎曲率,電導(dǎo)率;催化劑結(jié)構(gòu)特性:厚度,孔隙率,催化劑負(fù)載,顆粒大小,活性表面積,利用率,三相界面,離子傳導(dǎo)率,電子傳導(dǎo)率;流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特性:壓降,氣體分布,電導(dǎo)率;熱產(chǎn)生和熱平衡;壽命特性:壽命測(cè)試,退化,循環(huán),開(kāi)啟/關(guān)閉,失效,侵蝕,疲勞;2024/1