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燃料电池用质子交换膜综述1.1 概述世界范围内的能源短缺问题越来越严重。
对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。
然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。
在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。
寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。
因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。
燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。
而且，不受地域以及地理条件的限制。
近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。
1.2 燃料电池燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。
因此，燃料电池具有广阔的应用前景。
下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：1.2.1 燃料电池的组成燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。
在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。
燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。
通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。
两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。
以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。
中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。
电子则通过外线路流向阴极形成电流。
氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。
图1.1燃料电池工作示意图1.2.2燃料电池的分类通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。
燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。
空气与固体表面之间的热质交换简介
空气与固体表面之间的热质交换是一个重要的自然现象，也是工程领域中需要重点关注的问题。
在这种交换中，热量和物质会在空气和固体表面之间进行交换，影响着固体表面的温度和热性能。
空气与固体表面之间的热质交换可以通过多种方式进行，其中最主要的是对流传热和热辐射。
对流传热是指空气在固体表面附近形成的对流运动，通过空气和固体表面之间的热传递来降低表面温度。
热辐射则是指固体表面向空气发射的热辐射能量，这种热辐射能量会被空气吸收并转化成热量。
固体表面的温度和热性能会受到空气的温度、风速、湿度等因素的影响。
在工程中，人们需要考虑如何优化固体表面的热质交换，以提高设备的散热效率和热能利用率。
总的来说，空气与固体表面之间的热质交换是一个复杂的过程，涉及多种因素的综合影响。
通过深入研究和分析，可为工程实践提供有益的理论指导。
PEM质子交换膜PEFMC :质子交换膜燃料电池PBI :聚苯并咪唑mPBI :聚［2,2 '-（间苯基-5,5 '）-联苯并咪唑］ABPB：聚2,5 一苯并咪吟ABPBI DABA : 3,4 一二氨基苯甲酸SOPBI磺化聚苯并咪唑第一章引言燃料电池与传统能源利用方式相比具有以下特点与优势：（1）能量转化效率高。
（2）比能量或比功率高。
（3）清洁、安静、污染小。
（4）可靠性高。
（5）适用性强。
质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（（PEMFC是以一种聚合物膜即质子交换膜（PEM作为固体电解质的燃料电池，在膜的两侧是电极（阴，阳极）。
电极又可分为气体扩散层和催化剂层。
工作时，纯氢通过气体扩散层进入催化剂层，H:在阳极失去电子变成H+, H+经质子交换膜到达阴极，与电子及0:结合生成水，完成导电过程。
质子交换膜燃料电池，不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高，工作温度低，启动快，膜的耐腐蚀性强，使用寿命一长等优点。
近年来，质子交换膜燃料电池（PEMFC）成为了一种备受关注的清洁能源工艺。
质子交换膜燃料电池具备方便易携带，自动产生能量，效率高等优点。
质子交换膜（PEM是质子交换膜燃料电池的关键部件。
质子交换膜能够使质子从电池阳极转移到阴极。
氢在催化作用下在阳极被氧化生成质子，质子从阳级转移到阴极，在阴极和氧反应生成水并放出热。
质子交换膜位于两个电极之间。
质子交换膜须具备以下特性：易装卸；排列紧密；可以大批量生产；对于气体渗透反应具有很大的耐受性。
Nation 膜是典型的在低温使用的质子交换膜。
Nation 膜具有多相结构:疏水相作为连续相，磺酸基团作为亲水基团。
连续的疏水相作为膜的结构支撑，亲水相可以储存一定量的水。
水在质子传导中起着至关重要的作用，促进质子从磺酸基分离，提供了大量的动态水合质子，来保持Nation膜的理想性能。
为了保持膜的水合状态，反应气体都必须具备一定的湿度。
第二章 传质的理论基础3、从分子运动论的观点可知：D ∽312p T -两种气体A 与B 之间的分子扩散系数可用吉利兰提出的半经验公式估算：410D -=若在压强5001.01310,273PPa T K =⨯=时各种气体在空气中的扩散系数0D ，在其他P 、T 状态下的扩散系数可用该式计算32000P T D D P T ⎛⎫= ⎪⎝⎭（1）氧气和氮气：2233025.610/()32o V m kg kmol μ-=⨯⋅=223331.110/()28N N V m kg kmol μ-=⨯⋅=52115233 1.5410/1.013210(25.6)D m s -==⨯⨯⨯+（2）氨气和空气：51.013210P Pa =⨯ 25273298T K =+=50 1.013210P Pa =⨯ 0273T K =3221.0132980.2()0.228/1.0132273D cm s=⨯⨯=2-4、解：气体等摩尔互扩散问题124230.610(160005300)()0.0259/()8.3142981010A A A D N P P kmol m s RT z --⨯⨯-=-==⋅∆⨯⨯⨯错误！未找到引用源。
m 2sR 0通用气体常数单位：J/kmol ﹒K5、解：250C 时空气的物性：351.185/, 1.83510,kg m Pa s ρμ-==⨯⋅6242015.5310/,0.2210/m s D m s υ--=⨯=⨯32420006640.2510/40.08Re 2060515.531015.53100.620.2510o c P T D D m s P T u d v v S D ----⎛⎫==⨯ ⎪⎝⎭⨯===⨯⨯===⨯用式子（2-153）进行计算0.830.440.830.4440.0230.023206050.6270.9570.950.25100.0222/0.08m e c m m sh R S sh D h m sd -==⨯⨯=⨯⨯===设传质速率为A G ，则211220000()()()44ln4A A A m A s A A lA m A s AA s A m A s A dG d dx h d u d du d dx h du l h ρρππρρρρρρρρρρ⋅⋅⋅⋅=-==--=-⎰⎰2-6、解：20℃时的空气的物性：（注：状态不同，D 需修正）353352244200505541.205/, 1.8110,1.013102930.22100.2410/1.0132102730.053 1.205Re 99901.81101.81100.6261.2050.2410o c kg m Pa s P T D D m s P T u dv S D ρμρμρ------==⨯⋅⎛⎫⨯⎛⎫==⨯⨯⨯=⨯ ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭⨯⨯===⨯⨯===⨯⨯（1）用式0.830.440.023m e c sh R S =计算m h0.830.4440.02399900.6260.24100.018750.05m m sh D h d -⨯⨯⨯⨯===（2）用式13340.0395e c sh R S =计算m h134340.0395(9990)(0.626)0.24100.01621/0.05m sh D h m sd -⨯⨯===第3章传热传质问题的分析和计算5、解：040,C 时空气的物性ρυ⨯23-6=1.128kg/m ,=16.9610m /s60e 210R 1.1810u lυ⨯===⨯⨯-616.9610转折点出现在56e 510101.1810e R , 4.24R c x l m μν⨯⨯⨯=== 因此，对此层流---湍流混合问题，应用式（2-157）30.8(0.037870)e c LR S Sh γ=-查表2—4得，定性温度为350C 时，324000.26410O D P T D P T -⎛⎫==⨯ ⎪⎝⎭2m /s40.264100.64c DS υ-⨯⨯===-616.9610360.8[0.037(1.1810)870]0.641548.9LSh γ=⨯⨯-⨯=430.288101548.9 4.4610/10mLL D h Sh m sL --⨯⎛⎫==⨯=⨯ ⎪⎝⎭每2m 池水的蒸发速率为()m A A S A n h ρρ⋅∞=-300C 时，3030.03037/;40,0.05116/A S A S kg m C kg m ρρ⋅⋅'==时()354.4610(0.030370.50.05116) 2.1410m A A S A S n h ρϕρ--⋅⋅'=-=⨯⨯-⨯=⨯6、解：在稳定状态下，湿球表面上水蒸发所需的热量来自于空气对湿球表面的对流换热，即可得以下能量守衡方程式2()s fg H O h T T h n ∞-=其中fg h 为水的蒸发潜热222()H O H O H O m S n h ρρ⋅⋅∞=-22()H O H O ms fgS h T T h h ρρ∞⋅⋅∞=+-又23r P 1m p c h h c S ρ⎛⎫= ⎪⋅⎝⎭ 查附录2—1，当s T =035C 时，水蒸汽的饱和蒸汽压力5808S P=于是 325808180.0408/8314308H OS S sP M kg mRT ρ⨯===⨯0ρ∞=第四章 空气的热湿处理1、（1）大气是由干空气和一定量的水蒸汽混合而成的。
<热质交换原理与设备>第一章绪论1．分子传递的三定律3个传递系数、公式、结构上的类似性。
2．紊流传递，分子传递的基本概念基于流态划分的传递现象的两种基本形式。
3．设备的分类以及它们各自的传热机理第二章热质交换过程1．传质定义：分子扩散和对流扩散的概念基于质交换的构因划分的质交换的基本方式对流传质量概念2．5种扩散通量的定义之间的关系扩散通量质扩散通量、摩尔扩散通量、扩散通量向量、绝对扩散通量、相对扩散通量3．斐克定律的其它表示形式质量平均速度与扩散速度4．斯蒂芬定律应用情况；积分形式、微分形式，转化条件（转化为斐克定律）5．扩散系数定义，o D的定义（公式不记），随压强和温度的变化情况6．对流传质的基本公式7．边界层的概念？意义？对流传质简化模型的中心思想。
8．薄膜渗透理论的基本论点、结论（公式、推导不计）9．各准则数的物理意义普朗特，施密特，刘伊斯10．类似律的本质：阐述三传之间的类似关系（建立了…和之间的关系）11．同一表面上传质对传热的影响，对壁面热传导和总传热量影响相反由（2-90）和图2-16来分析影响12．刘伊斯关系式的表达式和意义第三章相变热量交换原理1．什么是沸腾放热的临界热流密度？有何意义？2．汽化核心分析3．影响沸腾换热的因素4．影响凝结现象的因素第四章空气热质处理方法1．麦凯尔方程的意义，热质交换设备的图解方法。
2．空气与水直接接触时热湿交换的原理，显热，潜热推动力，空气状态变化过程，实际过程3．吸收吸附法较之表冷器除湿的优点。
4．干燥循环的3个环节5．吸附剂传质速度的影响因素。
6．吸附原理：表面自由焓7．动态吸附除湿的再生方式8．吸附除湿空调系统9．吸收原理：气液平衡关系第五章 其它形式的热质交换1．空气射流的种类、特点等温自由射流的速度衰减。
非等温射流温度边界层，速度边界层，浓度边界层的特性。
起始段，主体段2．回风口空气衰减规律3．送风温差第六章 热质交换设备1．表冷器的热工计算(1)传热系数与哪些因素有关 迎面风速，析湿系数，水流速(2) 效能—传热单元法 主要原则，几个参量的意义2．喷淋室的热工计算（1）影响喷淋室热交换效果的因素。
食物交换份法糖尿病人食品交换份法谷薯类：每交换份热量90千卡蛋白质2克碳水化合物20克食称名称重量<g>大米、小米、糯米25高粱米、玉米渣,薏米25面粉,米粉、玉米粉25混合面,燕麦片25莜麦面、荞麦面、苦荞25各种挂面、通心粉25油条、油饼、打饼干25绿豆、红豆、云豆、干豌豆25干粉条、干莲子25烧饼、烙饼、馒头35咸面包、窝头、切面35土豆100湿粉皮、凉粉150鲜玉米<中等大,含棒心>200此表说明,重量是生食25克,它们都可以互换。
如25克大米可以和25克荞麦面交换,25克大米可以和25克油条<熟>交换,如吃八宝粥,所有的配料加在一起,25克可以和25克大米或25克面粉交换。
35克烧饼或馒头相当于25克面粉的热量和营养成分,其差别是水,土豆、凉粉和玉米棒就容易理解了。
如医生嘱咐您一天可吃主食250克,说的是粮食,是生食。
在250克的围,您可从上表中自由选择,主食可吃多种花样。
糖尿病朋友吃土豆时,就不会心有余悸了。
金色的秋季,糖尿病朋友吃一根鲜玉米,与大家共享自然界的纯真。
肉蛋类：每交换份热量90千卡蛋白质9克脂肪6克食称名称重量<g>熟火腿、香肠20肥瘦猪肉25熟叉烧肉<无糖>午餐肉35熟酱牛肉、酱鸭、肉肠35瘦猪、牛、羊肉50带骨排骨50鸭肉、鹅肉50兔肉、蟹肉、水浸鱿鱼100鸡蛋粉15鸡蛋<带壳、大>60鸭蛋,松花蛋60鹌鹑蛋<6个>60鸡蛋清150带鱼、草鱼、鲤鱼、甲鱼80比目鱼、大黄鱼、鳝鱼80黑鲢鱼、鲫鱼80对虾、青虾、鲜贝80水浸海带350此表说明,此表中的食物均是生食,由于含脂肪量的不同,交换量差别较大。
以如,25克肥瘦肉和350克鸡蛋清成350克湿海带,由于后两者不含脂肪,所以后两者和肥瘦肉交换量大,如用四个鸡蛋清蒸蛋羹,不仅体积大,饱腹感明显,有减少了脂肪的摄入量。
对于食量大,易饥饿的糖尿病人是一举两得的好方法。
