PEM燃料電池的伏安特性及其影響因素

周宇

摘要：本文主要分析了PEM燃料電池伏安特性及其影響因素的相關(guān)問題，整個(gè)研究通過實(shí)驗(yàn)分析的方式開展，通過實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)PEM燃料電視的伏安特性及其影響因素進(jìn)行分析。從本次研究結(jié)果可知，加熱溫度、氮?dú)錃獾榷紩?huì)對(duì)PEM燃料電池的特性產(chǎn)生影響，應(yīng)該得到相關(guān)人員的重視。

關(guān)鍵詞：PEM燃料電池；伏安特性；影響因素

相關(guān)研究指出，電池溫度及其加濕溫度已經(jīng)成為影響PEM燃料電池性能的重要因素[1]，目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可：燃料電池的操作溫度、濕度等流量的變化都有可能影響電池，因此為了進(jìn)一步提高電池性能，必須要進(jìn)一步討論這些參數(shù)對(duì)電池所產(chǎn)生的具體影響，才能進(jìn)一步加深對(duì)PEM燃料電池的認(rèn)識(shí)，為強(qiáng)化PEM燃料電池性能奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在本次實(shí)驗(yàn)研究中，采用Fuel Cell Tehnilogies制造的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行研究，用來判斷PEM燃料電池的基本性能，該系統(tǒng)能夠有效測(cè)量PEM燃料電池的極化曲線、功率變化密度等基本審計(jì)局。通過調(diào)節(jié)Agilent的N3300A型電子負(fù)載能獲得燃料電池的伏安的響應(yīng)變化曲線。系統(tǒng)依靠Labview采集、收集存儲(chǔ)各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)能夠設(shè)置、讀取PEM燃料電池的電流、電壓電池溫度等基本數(shù)據(jù)變化。

實(shí)驗(yàn)過程中的氣體擴(kuò)散層是通過碳紙制成，在擴(kuò)散層的內(nèi)側(cè)附有非常薄的碳層。將MEA膜安裝在兩塊石墨板之間，并分別在兩塊石墨板之間外架兩個(gè)鍍金銅板。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)前使用氮?dú)獬浞执祾哧庩?yáng)兩極套管，保證實(shí)驗(yàn)安全；

（2）打開燃料電池測(cè)量系統(tǒng)電源，開啟氫氣瓶閥門；

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，包括反應(yīng)氣體流量、電池加熱溫度、背壓等；

（4）為了能夠有效的監(jiān)督電池實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)界面上設(shè)置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示設(shè)備，用來記錄PEM燃料電池極化實(shí)驗(yàn)中不同工況下的相鄰數(shù)值電壓差異；

（5）本次試驗(yàn)中，軟件界面能夠隨時(shí)記錄燃料電池的伏安特性變化規(guī)律，并且會(huì)在特定的時(shí)間下記錄數(shù)據(jù)變化情況；

（6）通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取本次實(shí)驗(yàn)的信息資料，保證信息可靠性。

為了保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在燃料電池系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下完成的，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程所需要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)，以240s作為相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)的記錄時(shí)間間隔。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 燃料電池加熱溫度的影響

本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，加熱溫度會(huì)直接影響PEM燃料電池的伏安特性，隨著溫度的增加（尤其是加熱溫度從50℃上升到70℃時(shí)），電池溫度的升高會(huì)直接影響PEM燃料電池的伏安特性，兩者之間呈現(xiàn)出正比例關(guān)系；而當(dāng)溫度從70℃上升到90℃時(shí)，PEM燃料電池的伏安特性出現(xiàn)了下降，兩者之間出現(xiàn)反比例關(guān)系。該結(jié)果說明，如果電池溫度小于加濕溫度，則PEM燃料電池的性能與加熱溫度之間就會(huì)保持正比例關(guān)系，加熱溫度的升高有助于改善電池性能。而當(dāng)電池的加熱溫度高于加熱溫度時(shí)，PEM燃料電池的性能會(huì)受到影響，出現(xiàn)數(shù)值水平降低的現(xiàn)象。

除此之外，文獻(xiàn)[23]也通過研究認(rèn)為，電池加熱溫度小于70℃時(shí)，PEM燃料電池的電壓會(huì)隨著電池的溫度變化而變化，兩者之間呈正比例關(guān)系；而當(dāng)電池的加熱溫度超過70℃后，電壓會(huì)將其，尤其是在高電流密度條件下，這種變化就變得更加明顯。這是因?yàn)镻EM燃料電池的溫度變化具有化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，當(dāng)電池的溫度升高之后，電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)速度將會(huì)明顯加快，這一現(xiàn)象有助于強(qiáng)化交換電流水平，使電池性能達(dá)到預(yù)期。同時(shí)，燃料電池溫度的上升也會(huì)強(qiáng)化反應(yīng)物與生成物之間的傳遞速率，這種現(xiàn)象也有助于提高電池性能。當(dāng)電池的加熱溫度超過70℃后，PEM燃料電池的性能會(huì)受到質(zhì)子膜成分阻抗控制，此時(shí)質(zhì)子膜會(huì)因?yàn)殡姵販囟冗^高而產(chǎn)生脫水現(xiàn)象，降低了質(zhì)子傳感率，增大了阻抗性能，最終影響PEM燃料電池性能。

2.2 氫氣加濕溫度的影響

在本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氫氣加濕溫度也會(huì)影響PEM燃料電池伏安特性，當(dāng)氫氣加濕溫度從50℃上升到70℃后，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，PEM電池的性能也不斷改善；但是當(dāng)溫度超過70℃后，電流密度小于1.0A/cm2，電池性能基本上沒有變化，而當(dāng)電流密度超過1.0A/cm2時(shí)，電池的伏安特性反而出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。導(dǎo)致出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋菏芗訚駵囟认陆档挠绊?，氫氣攜帶水分的能力下降，最終無法將足夠的水分帶入到陽(yáng)極催化層中，導(dǎo)致質(zhì)子膜的阻抗能力上升，而質(zhì)子膜阻抗是影響PEM燃料電池性能的重要因素，因此兩者之間存在聯(lián)系。隨著氫氣加濕溫度水平升高，該氣體所攜帶的水分不斷增加，這樣有助于降低陽(yáng)極催化層的阻抗水平，最終提高電池性能；而如果氫氣加濕溫度水平國(guó)道，氫氣所攜帶的水分明顯超過質(zhì)子在質(zhì)子膜遷移過程中需要的水分，最終導(dǎo)致電極多空介質(zhì)中出現(xiàn)富余寫太水，不利于保證內(nèi)部氣體擴(kuò)散[4]。

3 結(jié)論

在本次研究中，共得出以下結(jié)論：

（1）如果反應(yīng)氣體加濕溫度的水平明顯高于電池所需要的加熱溫度，通過調(diào)整電池溫度就能有效強(qiáng)化PEM燃料電池性能，并且當(dāng)加熱溫度高于反應(yīng)氣體的加濕溫度后，其溫度回評(píng)大于電池加熱溫度，PEM燃料電池的性能將會(huì)出現(xiàn)下降。

（2）氫氣的作用機(jī)制不同，當(dāng)其加濕溫度明顯低于加熱溫度時(shí)，隨著加濕溫度的升高，電池的性能也會(huì)得到改善；相反，當(dāng)加濕溫度高于加熱溫度后，加濕溫度的增加反而會(huì)降低電池性能。

（3）本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PEM燃料電池的加濕溫度與電池溫度的臨界點(diǎn)溫度都是70℃，該結(jié)果提示：在未來的實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)溫度水平接近70℃時(shí)必須要全面觀察PEM燃料電池的性能變化情況，才能保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳士忠，王藝澄，于東旭，等.基于溫度條件下PEM燃料電池的動(dòng)態(tài)特性[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，32（03）：506511.

[2]夏發(fā)銀，陳玉，賓洋.基于SIMULINK的PEM燃料電池系統(tǒng)模型建立及其仿真分析[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，31（01）：102105.

[3]黃維娜.多層PEM燃料電池催化層反應(yīng)效率的優(yōu)化研究[D].電子科技大學(xué)，2015.

[4]徐臘梅.PEM燃料電池動(dòng)態(tài)特性的建模與仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2007.