摘 要

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）就是将氢气转化为质子和电子，质子再与氧气通过催化层后变为氧离子反应，生成水放出热量。质子通过交换膜与阳极的反应转化成电能、热能和水的电化学装置。它不存在热源温度之间的转化问题，转换率很高，当氢气和氧气都充足时，燃料电池便能够无休止的连续运行。因其具有利用率很好、对环境没有危害、出问题时能立即解决等这些特点，燃料电池已成为了全球研究的热点。除此之外,燃料电池还具备燃料品种丰富、噪音小、污染很小、稳定性和检修性好这些优点。新型燃料电池被用作新能源汽车的动力源, 已经受到全球的重视，纷纷将其作为未来国家发展的战略产品。全世界各个国家都给出了众多完善的法律法规, 大力提倡和鼓励国有或者私人企业发展新能源汽车。国家已经颁布相关法规，已经把燃料电池的新能源汽车作为将来着重培养的对象。

本文针对质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）在启停过程，正常运行过程，和水淹过程中出现的严重的碳损失。电池内部部分区间内存在无氢气的状态，这样的部分氢缺少会引起这个范围内阴极催化层突然有高电势生成（gt; 1.4 V），引起较高的 COR速率，导致碳载体的氧化。 碳载体在低温和低湿度条件下的氧化速率非常缓慢，但PEMFC中铂纳米颗粒的存在可降低碳腐蚀反应的可逆电位，虽然其他特殊情况的碳腐蚀很严重，但是常规运行过程中电池的碳腐蚀行为在长时间的积累之后也会造成很大的伤害。车用燃料电池的寿命一般要求达到5000小时左右，而碳载体的衰减速率可能达到1-10%/1000小时，长时间运行后将引起电池性能的加速衰减。

论文通过：等碳水电化学反应的平衡方程，和电化学基本理论知识、物理化学、碳水电化学反应的平衡常数进行推导。最后得出碳腐蚀速率与平衡常数之间的关系、以及受空气湿度，电压，气压等的影响关系。推动燃料电池商品化的进程。

关键词：质子交换膜燃料电池、平衡常数、电化学、碳腐蚀速率

Abstract

Proton exchange membrane fuel cell is a direct chemical energy stored in the H2 and O2 by reaction into electricity, heat and water in an electrochemical device. It is not Carnot cycle limit, high conversion efficiency, as long as there is sufficient hydrogen and oxygen, it can be a long continuous operation. Its high energy conversion efficiency, low noise, no emissions (the reaction product is water), etc., has become the focus of national studies. In addition, it has a fuel diversity, low noise, small environmental pollution, reliability and maintainability good. As a new generation of fuel cell vehicle power source, it has been regarded as a strategic product in the world's major industrial countries. Governments have developed a series of supporting policies and regulations to encourage and promote its industrialization and commercialization process. "China 2025" explicitly fuel cell vehicles as one of the key development areas of "energy-saving and new energy vehicles."

In this paper, proton exchange membrane fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) severe carbon losses occur in the process of start and stop, normal operation is running, and flooding process. Since the anode of the fuel cell before the start is the presence of air, and thus oxygen hydrogen replacement process exists, the internal battery in the absence of hydrogen partial sections state memory, such local hydrogen deficiency will result in the region of the cathode catalyst layer high occurrence electrode potential (gt; 1.4 V), causing a higher COR rate, resulting in oxidation of the carbon support. This phenomenon is known as "reverse current recession (Reverse Current Decay)". Carbon support oxidation rate at a low temperature and low humidity conditions is very slow, but there PEMFC platinum nanoparticles can reduce the carbon corrosion reaction reversible potential to accelerate the carbon carrier corrosion, thus normal operation during the carbon corrosion behavior of the battery is Can not be ignored. Vehicle fuel cell life is generally required to achieve 5000 hours, while the rate of decay of the carbon support may reach 1-10% / 1000 hours, the battery performance of the acceleration caused by decay after a long run.

Carbon balance equation thesis aqueous electrochemical reactions: C 2H₂O → CO₂ 4H 4eelectrochemistry and basic theoretical knowledge of the equilibrium constant of a chemical reaction of carbon hydropower derivation. The conclusion that the corrosion rate of carbon air humidity, temperature, pressure and other effects of that relationship. How to improve the technical quality of the respective battery packs for carbon corrosion, thereby improving battery performance. To promote the commercialization of fuel cell process.

Key Words: proton exchange membrane fuel cell, the equilibrium constant, electrochemistry, corrosion rate of carbon.

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 PEMFC的发展历程 2

1.3 燃料电池的工作原理 2

1.4 PEMFC碳损失的三种情况 3

1.41 启停过程中的碳腐蚀 4

1.42 “水淹”过程中的碳腐蚀 5

1.43 正常运行时的碳腐蚀 6

1.5 本文的提出依据 6

第2章 碳水电化学反应平衡常数公式推导 8

2.1 平衡常数的定义 8

2.2 平衡常数的推导 8

2.3 平衡常数的推导步骤 9

第3章 碳腐蚀速率的推导 15

3.1 水蒸气质量流量推导 15

3.2 碳腐蚀速率 18

3.3 碳腐蚀速率影响因素分析 21

3.4 碳腐蚀动力学分析 23

第4章 燃料电池耐久性技术解决途径 25

4.1 车用燃料电池耐主要久性问题 25

4.2 注重启动 / 停车过程 25

4.3 注重连续低载或怠速运行 26

4.4 针对降低碳腐蚀和提高燃料电池性能各组件技术特点 26

4.41 电池双极板 26

4.42 膜电极组件（MEA） 27

4.43 气体扩散层 27

4.44 电催化剂 28

4.45 固态电解质膜 28

第5章 结论 29

参考文献 30

致谢 33

第1章 绪论

1.1引言

伴随着全世界人口数量的不断提升，平均每个人消耗物质量也伴随着继续增加，还有过度消费和不节约等所导致的“能源危机”已经成为世界最热议和关注待解决的问题之一[1]。21世纪人们逐渐建立起来的资源系统已经无法适应未来社会对能源体系高效、清洁、经济、安全的要求，资源供给已经变得心有余而力不足。急需发展“新能源"已经受到全球各个国家的极度重视，全球越来越多的国家已经将发展新能源定为未来长期非常重要的发展方向。在众多的能源中发展，氢能源很受广大人们的重视格外，实际体现为：其拥有巨大的资源，可以自己生产，也可以通过其他途径制取，氢气与燃烧等质量的煤碳、石油等烃类物质相比，它将能生产出相当于煤炭、石油好几倍的能量；同许多燃料燃烧后的废气产物比如、、、氮氧化物、粉尘等比较而言，氢气燃烧之后生成水，这是不会对环境有任何的影响，氢气是正真的无污染清洁能源，氢气也成为代替煤炭、石油等常规能源的最为理想的新能源之一[2]。有的专家预测：21世纪将会是以氢气作为新能源广泛运用的时代，然而作为一种可直接将化学能转换成电能的电化学发电装置。

质子交换膜燃料电池除了具备利用率好、对环境没影响、负载时持续运作可靠等众多特点，还拥有常温下启动迅速、不存在电解液损失问题、生成的水比较容易排除、工作时间长、比功率与比能量高等突出特点，氢能源的发展和应用前景很美好[3]。不只是在航天、军事这些特定的方面，在氢电池充电站、纯氢气电动汽车、便携式氢气电源这些领域都拥有巨大的发展和消费市场。氢能源和常规动力装置获取能量方式相比，PEMC燃料电池不受两个热源的简单循环的制约，运行时直接将氢气与氧气结合从而将化学能转换为电能并释放热量，能量转化率比较高(比一般内燃机高20%-30%)；氢气燃料电池与其他燃料电池不同的是，质量比功率大，当在相对温度较低时启动更快，进而成为电动汽车、潜艇以及各种可移动电源的最适合选择[4]。