12、PEM燃料电池监测：从原理到模型构建

PEM燃料电池监测：从原理到模型构建

1. 引言与PEM燃料电池原理

在当今能源领域，氢气已成为应对关键能源挑战的关键元素。为了在清洁能源转型中发挥重要作用，将氢气融入交通、建筑和固定发电等战略领域至关重要。燃料电池作为一种有前景的设备，能够将氢气的化学能转化为直流电，且无需移动部件和污染物排放，成为传统内燃机的有潜力替代品。

在各种类型的燃料电池中，聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）因其低温运行、高能量密度、快速启动和零至低排放等特点，被认为是交通和固定备用电源应用中最有前景的燃料电池候选者。

1.1 PEMFC的工作原理

PEMFC由固体聚合物电解质分隔阳极和阴极。阳极持续供应纯氢气，氢气在铂基催化剂层分解为质子和电子：
[2H_2 \rightleftharpoons 4H^+ + 4e^-]
质子通过膜到达阴极催化剂层，而电子则被迫通过外部电路，产生设备的电负载。同时，阴极供应纯氧或空气，氧气在阴极催化剂层与质子结合生成水和热：
[O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightleftharpoons 2H_2O]
总体反应为：
[H_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow H_2O + \text{电能} + \text{热}]

1.2 PEMFC的不同架构

• 高压架构 ：在高功率需求的燃料电池系统中，使用压缩机向阴极通道供应加压氧气，压缩空气瓶向阳极供应纯氢气。高压有助于反应物通过电池通道输送，但阴极压缩机存在约20%的寄生功率消耗。