温度、压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响

　　能源研究与信息温度、压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响王文东，陈实，吴锋（北京理工大学化工与环境学院国家高技术绿色材料发展中心，北京100081）电流-功率和电压-时间曲线，研究了温度、压力和湿度等条件对电池性能的影响，同时也考察了电池的能量转换效率及短期运行时的稳定性，得出了电池较佳的工作条件。，由电路系统、气路系统及负载三部分组成。燃料和氧化剂分别经过增湿罐增湿后进入电池反应，流速由尾排阀控制；反应剩余的气体分别经过冷却、干燥，经流量计计量后，排放到大气中。电池阴极、阳极的压力由气体减压阀来调节。

　　加热系统通过控制增湿罐的温度来调节反应气体的温度和湿度。负载可以使电池维持恒定的输出电压或者电流。

　　圄1 PEMFC性能测试装置示意圄1-减压阀；2-增湿灌；3-PEMFC；4-压力表；5-腠表6-冷凝器；7-尾排阀；8-流量计；9咏阀1.2曲线分别为电池在30°C、55C和72°C下的电流-电压及电流-功率的关系国，2的进气温度与电池反应温度相同，而H2的进气温度则比电池反应温度高5 C.从中可以看出：温度升高有利于提高电池的性能，如在0 5V时，电池在30C、55C和72C下的电流密度分别为920 mAcm-2、1260mAcm-2和1380mAcm-2；不同温度下所能达到的最大功率提高温度有利于改善电池性能的原因为：H2和O2进气压力为0.2MPa时，电池在72、55、33下极化曲线和功率曲线（1）电催化剂Pt的活性提高，反应速率加快；（2）质子交换膜内水扩散系数增加，从而使质子交换膜内水分布均匀，同时质子传递速度也加快，膜电阻将减小、电导率增大；（3）高温时，有利于阴极反应生成水的排出，电极淹没问题不会出现；（4）氏、O2扩散系数加大，改善了电极内气体传质。

　　2.2压力对电池性能的影响压力对电池性能的影响见，图中所示是电池工作温度为72C，O2的进气温度为55 MPa时的极化曲线和功率曲线。

　　表明，提高压力有利于提高电池性能。从反应机理上看，氏和O2首先通过双极板扩散到催化层，然后在催化剂表面吸附、解离，而压力的提高有利于加快反应气体的传质速度，减小传质过电位对电池性能的影响，从而使电池性能提高。由能斯特方程也能得出相同的结变大，从而使电池性能提高。

　　褂从中还可以看出，当压力由010MPa提高到0.20MPa时，电池性能明显提高，但在0.25MPa下，性能变化不大（与0.20MPa相比），仅当电流密度大于1200mAcm2时，电池性能才有所提高，这是因为龙与压力成对数关系所致。虽然增加压力会改善电池的性能，但是同时也会增加系统的能耗，因此系统压力一般在02MPa左石。

　　2.3湿度对电池性能的影响由于质子交换膜中的质子必须结合一定数量的水分子后才能进行传递，所以其电导率与含水量有关这取决于湿润反应气体中的水、阴极反应生成的水及质子从阳极到阴极携带的水。

　　若膜内水含量适中，不但电导率达到最佳值，而且内阻也会降到最小。用相对湿度（功表示膜内水化状态，当水蒸汽饱和时，相对湿度为100%；不饱和时用下式表示：为55C、02MPa时，不同相对湿度下的电流-电压、电流-功率关系图。从图中可以看出，在相对湿度为50%和80%时，不但电池内阻明显变大，而且还分别在900mAcm2、1200 mAcm2时极化曲线偏离直线。这种偏离在各极化曲线及中相对湿度为100%时的极化曲线中是看不到的。从中可以观察到，所有的极化曲线在初始阶段很小舶范围内急剧下降，而当电流密度大于200 mAcm2时，极化曲线又趋向于直线。

　　55°C、0.2MPa下不同相对速度时的极化曲线和功率曲线电池反应中的电极过程由三部分组成：电极活化、欧姆极化和传质限制，电压受这三个过程控制。用以下经验方程可以描述电极过程中的电流-电压曲线原反应的交换电流；R为电池动态电阻，包括膜电阻、氪氧电极电荷转移电阻以及膜与电极和电极与极板之间等的接触电阻；id为极化曲线偏离直线时的最小电流值；m、n为传递参数。

　　利用式（4）可以对加以说明：在初始阶段，极化曲线的急剧下降与阴极表面上缓慢的氧化-还原反应动力学引起的电化学活化过程有关。当电流密度大于200mAcm2时，阴极的电极过程欧姆极化占主导地位，表现出来的就是极化曲线呈直线状。当电极过程受传质控制时，曲线就偏离直线，如中，R丑为50%、80%时的极化曲线说明该过程在大电流密度下存在着传质限制。这是由于在大电流密度下阴极反应生成的水不能有效地回流扩散到阳极，而氏的湿润条件又不能提供足够的水分，膜处于失水状态，以致于质子传递受到限制。

　　为电池在55C、不同恒电流值下工作4h以上，得到的一系列电压-时间曲线。电池在1A、2A、3A、4A不同恒电流值下的平均电压值及统计学参数分别见表2.从中可以看出，电压值在一小范围内有规律的轻微波动。这是由于温度控制系统精度不够，导致ft、2和电池温度在设定温度上下浮动，使电极活化、热交换以及质量传递和水含量随之呈周期性变化，电池电压也在周期性变化。随着电流密度的变大，波动的振幅变化不大，标准方差（Sd）同样如此。这说明电池对电流密度的变化很不敏感，在较高的电流密度下，电池仍能稳定工作。

　　时间/min A、3A、4A下的电压一时间关系曲线表2中不同恒电流下的统计学参数Table2平均幅度总和不考虑反应气体利用率和法拉第效率，采用Gaggioli等定义电池能量转换效率，即：整个电池反应过程是在电池温度T；条件下等温反应，唯一的反应产物水从电极排出，电池中H2和2发生两电子反应：电池能量转化率：Cmol-1）；DG为电池化学反应的Gibbs自由能变化。

　　通过热力学计算，此反应在是020 MPa，72C、55C下电池能量转换效率与电池功率密度变化曲线。由图可知，电池在72C下的能量转换效率高于55C时的值，在03Wcm-20 7Wcm-2功率密度区域内工作，其能量转换效率约为62%34%.电池在0.2 MPa、55°C和72°C时的能量转换率与功率密度关系在实验条件下，Nafion112质子交换膜燃料电池性能随着温度、压力和湿度的增加而提高，当电池在反应温度为72氏和O2压力分别为0.2MPa、进气湿度饱和时，最大输出功率可达7Wcm-2内电池能量转换效率约为62°%34°%.在较高的电流密度下，电池仍能稳定工作，并没有出现明显的衰减，这说明电池对电流密度的变化很不敏感。

　　利用PEMFC性能测试装置可以简单、快速地对质子交换膜燃料电池（组）性能进行评价，得出一些有价值的信息，如电极极化情况、最大输出功率、能量转换效率、电池短期稳定性等。

　　心衣宝廉、张华民等老师的热情帮助和指导，谨此表示衷心感谢。