王旭 蔣卓凡

中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430050

1 前言

燃料電池（Fuel Cell）是一種將燃料具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)因其噪音低、零污染、無(wú)腐蝕、壽命長(zhǎng)、能量效率高、比功率高、可靠性及維修性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今各國(guó)研究發(fā)展并廣泛應(yīng)用的熱點(diǎn)。燃料電池在運(yùn)行期間所消耗的氧化劑（如：氧氣）在自然環(huán)境中大量存在，并且獲取成本較為低廉，儲(chǔ)存容易；反應(yīng)之后的產(chǎn)物以水為主，在保護(hù)環(huán)境上實(shí)現(xiàn)了真正的零污染、零排放。電池工作時(shí)，在電池外部供給燃料和氧化劑，電池進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生電能，原則上只要反應(yīng)物持續(xù)輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。另外質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度只有70～80 ℃，因此能量轉(zhuǎn)換損失很小，且不會(huì)受到熱力學(xué)中卡諾循環(huán)效率的限制，發(fā)電效率高達(dá)50%以上，能夠廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、船只及航空航天領(lǐng)域。相比于核能的危險(xiǎn)性，太陽(yáng)能的功率密度低，水力和風(fēng)力受地形的限制，燃料電池的優(yōu)勢(shì)可謂得天獨(dú)厚，因此備受矚目。

質(zhì)子交換膜燃料電池的性能受到諸多因素的影響，在電池的設(shè)計(jì)與性能提升過(guò)程中，電池的溫度管理和水管理是必不可少的兩大考慮因素。為了提高燃料電池的性能，需要將燃料電池的運(yùn)行溫度控制在一定的范圍內(nèi)，并盡可能地保持均勻，因此常常在燃料電池內(nèi)部設(shè)計(jì)合適的冷卻流道以提升電池的性能。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，M. Ghasemi等人基于單電池設(shè)計(jì)了6種不同類(lèi)型的冷卻流道，用來(lái)模擬燃料電池運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)熱及溫度分布[1]。Keo等人通過(guò)一個(gè)三維數(shù)值模型對(duì)一個(gè)“之字形”流道的燃料電池的瞬態(tài)行為進(jìn)行模擬研究，并對(duì)各種開(kāi)孔率的電池性能進(jìn)行對(duì)比[2]。

在燃料電池內(nèi)部，電堆的產(chǎn)熱以及冷卻液的散熱，這兩者之間的平衡很容易影響到燃料電池的運(yùn)行溫度，同時(shí)也會(huì)影響到質(zhì)子交換膜的脫水和浸水[3]。且燃料電池在實(shí)際使用過(guò)程中，由于溫度的變化會(huì)降低電池性能從而縮短燃料電池的壽命。因此很有必要對(duì)燃料電池溫度進(jìn)行控制研究。對(duì)此，Huang Lianghui等人提出一個(gè)控制策略用來(lái)調(diào)節(jié)電堆溫度[4]；Pei和Chen等人著重研究了質(zhì)子交換膜燃料電池的壽命衰減，并發(fā)現(xiàn)燃料電池中的水管理和氣體運(yùn)輸效率是需要被精確考量的因素，因?yàn)檫@些因素可能會(huì)導(dǎo)致當(dāng)燃料電池處于負(fù)載條件下時(shí)，其電池效率會(huì)下降[5]。

另外，為了提升燃料電池的性能，人們開(kāi)展了更多的研究工作，秦等人通過(guò)研究指出當(dāng)燃料電池使用一個(gè)更加高效的壓縮機(jī)時(shí)，電池內(nèi)部存在著一個(gè)最佳的工作壓力，且這個(gè)工作壓力的值較沒(méi)有使用壓縮機(jī)時(shí)更高[6]。吳則針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的二維及三維模型進(jìn)行了一定介紹，并對(duì)氣體流場(chǎng)、氣體擴(kuò)散層、催化劑層以及質(zhì)子交換膜中的傳輸現(xiàn)象做了描述[7]。另外，為了提高燃料電池的運(yùn)行特性，其指出更多的參數(shù)都應(yīng)該在研究中被考慮進(jìn)來(lái)，包括：非傳統(tǒng)幾何形狀的流道中的液體流動(dòng)、燃料電池瞬態(tài)運(yùn)行過(guò)程、水解聚合物膜中的水傳輸、熱管理、催化電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、質(zhì)子在高分子電解質(zhì)中的傳輸。此外異質(zhì)多孔材料中的物質(zhì)擴(kuò)散行為也是需要考量的重點(diǎn)。Ahluwalia RK指出提高質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻能力的傳統(tǒng)方法是采用一個(gè)換熱面積更大的散熱器或者提高冷卻液的流率[8]。

Wei-Mon Yan針對(duì)大功率自呼吸式的燃料電池，通過(guò)在陰極采用不同的冷卻流道構(gòu)型來(lái)研究其對(duì)燃料電池性能的影響，同時(shí)開(kāi)展數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明50%和58.3%開(kāi)孔率的組合能夠降低燃料電池電堆的運(yùn)行溫度，同時(shí)此條件下電堆的溫度分布更加均勻[9]。Salva JAd針對(duì)各種運(yùn)行條件（陰極化學(xué)計(jì)量、反應(yīng)物相對(duì)濕度、電池的溫度和壓力）對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到最佳的運(yùn)行特性[10]。Vasiliev, L研究了燃料電池內(nèi)部的熱管道類(lèi)型對(duì)燃料電池性能的影響，研究指出微型或者迷你型的加熱管道對(duì)10～100 W的燃料電池電堆的熱管理控制更加有效；而回路型的加熱管道、脈沖熱管道以及吸附熱管道則對(duì)具有更高輸出功率的便攜式質(zhì)子交換膜燃料電池更加適用[11]。Nishiyama等人研究了氣體擴(kuò)散層的孔隙率和滲透率對(duì)燃料電池性能的影響[12]。

然而，綜合分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究?jī)?nèi)容并未細(xì)致考慮到電池內(nèi)各區(qū)域的溫度差異性，在對(duì)電池內(nèi)部進(jìn)行溫度分布研究時(shí)，雖然知道陰陽(yáng)兩極的溫度并不相同，但是在電池實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)陰陽(yáng)兩極采用的卻是共用一個(gè)冷卻水流道的方式，其冷卻處理完全一樣，如果結(jié)合陰陽(yáng)兩極溫度的差異性，將陰陽(yáng)兩極的冷卻流道各自獨(dú)立開(kāi)來(lái)，然后分別處以不同的冷卻條件，那電池的性能是否會(huì)有所不一樣，會(huì)不會(huì)得到進(jìn)一步改善呢？本文結(jié)合陰陽(yáng)兩極溫度的特異性，提出在陰陽(yáng)兩極相互獨(dú)立冷卻的基礎(chǔ)上，研究不同溫度和冷卻控制條件下燃料電池的運(yùn)行特性，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1.1 電池測(cè)試系統(tǒng)

本次性能試驗(yàn)所采用的測(cè)試裝置是加拿大某公司生產(chǎn)的HTS-125 Fuel Cell Station，它是一個(gè)集多種功能于一身的綜合性試驗(yàn)平臺(tái)，其組成結(jié)構(gòu)主要包括：配氣系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、外接負(fù)載、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及控制軟件等。其中配氣系統(tǒng)可向電池提供純度高達(dá)99.99%的氫氣和氧氣；加濕系統(tǒng)能滿(mǎn)足燃料氣體不同程度的加濕要求；加熱系統(tǒng)可為電池預(yù)熱，使其快速達(dá)到最佳溫度工作條件；接入外接負(fù)載即可測(cè)得電池的對(duì)外輸出特性；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠保證試驗(yàn)的安全進(jìn)行，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集工作；控制軟件可人為控制各種試驗(yàn)參數(shù)。

該系統(tǒng)的最大測(cè)試功率為12.5 kW，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確控制，如：負(fù)載值大小、負(fù)載類(lèi)型、燃料氣體的流量及其加濕程度、電池溫度及冷卻水流量等。其中電池溫度采用將熱電偶元件置于電池內(nèi)部的方式測(cè)得、氣體流量及冷卻水流量可通過(guò)相應(yīng)的流量控制閥調(diào)節(jié)；軟件操作界面十分友好，可直接在軟件上進(jìn)行電池電流、溫度、壓力的輸入控制；同時(shí)該系統(tǒng)控制精確；控制范圍也相對(duì)廣泛，如電流加載范圍為0～500 A，電壓監(jiān)測(cè)范圍為-1.500～+1.500 V?？傊?，測(cè)試系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能滿(mǎn)足很多不同試驗(yàn)的需求。

2.1.2 電池參數(shù)

試驗(yàn)所用燃料電池是一個(gè)單片活性面積為20×10-4m2的單電池，其主要幾何參數(shù)如表1所示，該電池的膜電極由某公司提供。

電池因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)異溫冷卻的試驗(yàn)條件，所以必須將陰極和陽(yáng)極的冷卻流道相互獨(dú)立開(kāi)來(lái)，同時(shí)還要保證陰陽(yáng)兩極采用的是同樣的冷卻流道形式。

表1 質(zhì)子交換膜燃料電池幾何參數(shù)

2.1.3 電池溫度控制系統(tǒng)

由于溫度是本次試驗(yàn)探究的重要參數(shù)，因此需要對(duì)電池內(nèi)部的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這一點(diǎn)，可采用熱電偶元件測(cè)得，另外，試驗(yàn)還需要對(duì)陰陽(yáng)兩極加以不同的溫度控制條件，且需要一定的溫度梯度，所以還需構(gòu)建一個(gè)完善的電池溫度控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)最主要的功能是向電池提供試驗(yàn)所需特定溫度的冷卻水。

為了保證冷卻水達(dá)到試驗(yàn)所需的各種溫度，可采用數(shù)顯恒溫水浴鍋對(duì)其進(jìn)行加熱；為了實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)流動(dòng)，則可采用水泵，然后配以相應(yīng)的軟管進(jìn)行連接，即可組成如圖1所示的溫度控制系統(tǒng)。由于要實(shí)現(xiàn)異溫卻冷的條件，故需要2套該系統(tǒng)。

該系統(tǒng)控制流程大致如下：首先完成好相應(yīng)的設(shè)備連接，然后確定該陰極或陽(yáng)極所需的試驗(yàn)溫度，之后將冷卻水置于水浴鍋內(nèi)，設(shè)置好水浴鍋的加熱溫度，然后對(duì)其進(jìn)行加熱，待冷卻水到達(dá)所需試驗(yàn)溫度時(shí)，按下水泵開(kāi)關(guān)，冷卻水即流向電池，電池陰陽(yáng)兩極的冷卻水均采用下進(jìn)上出的形式，這樣效果更佳，從電池上方流出的冷卻水最后再經(jīng)軟管回到水浴鍋內(nèi)，形成整個(gè)循環(huán)。

圖1 電池溫度控制系統(tǒng)

整個(gè)過(guò)程中需要特別說(shuō)明的是，試驗(yàn)所需的冷卻水需要進(jìn)行去離子化，這是為了避免水中含有的離子對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生干擾，另外整個(gè)控制過(guò)程中還需要以熱電偶元件的測(cè)試溫度為反饋進(jìn)行相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)，從而保證溫度恒定，而且隨著電池反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)有更多的熱量釋放出來(lái)，電池溫度也將越來(lái)越高，為了恢復(fù)到試驗(yàn)所需的溫度，有時(shí)還需要借助風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行一定的冷卻。

2.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所用單電池與一般試驗(yàn)所用的單電池相比，結(jié)構(gòu)上要略微復(fù)雜，需要進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。如圖2所示，是該電池陽(yáng)極流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖（陰極結(jié)構(gòu)也是如此）。流場(chǎng)板內(nèi)開(kāi)有4條冷卻水流道，流道口均用卡套式管接頭（已標(biāo)數(shù)字）連接，并用膠粘劑進(jìn)行密封，其中接頭2與接頭3之間、接頭4與接頭5之間、接頭6與接頭7之間分別用軟管連接起來(lái)，經(jīng)過(guò)溫度處理的冷卻水從接頭1流入，依次經(jīng)過(guò)它們，最終經(jīng)接頭8流出；燃料氣體則從氣體入口進(jìn)入，參與電池反應(yīng)，剩余氣體從氣體出口排出，返回大氣。

圖2 流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)之前需要將電池組裝起來(lái)，電池的各組成順序依次為陽(yáng)極端板、陽(yáng)極流場(chǎng)板、PTFE、碳紙、質(zhì)子交換膜、碳紙、PTFE、陰極流場(chǎng)板、陰極端板。然后用螺桿及螺母對(duì)其進(jìn)行固定，上螺母時(shí)要注意“依次交叉、對(duì)稱(chēng)擰緊”的原則，這樣不僅可以使電池均勻受力，還可保證電池的密封性。組裝電池時(shí)還要注意，碳紙與PTFE之間最好不要有重疊區(qū)域，不然會(huì)增加電池內(nèi)阻，影響電池的性能，以碳紙剛好卡入PTFE為最佳。

電池組裝完畢后，還需要對(duì)電池的密封性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法大致如下：先將氮?dú)夤艿澜尤腚姵剡M(jìn)氣入口，打開(kāi)氣體閥門(mén)，向電池通入氮?dú)?，調(diào)節(jié)流量控制閥到0.1 MPa，然后將氣體出口處的軟管暫時(shí)憋住，保證氮?dú)獠涣鞒?，之后將電池整個(gè)浸入水中，觀(guān)察電池表面是否有氣泡產(chǎn)生，如果沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，則表明電池密封性良好，反之，則氣密性不足。當(dāng)出現(xiàn)氣密性不足的情況時(shí)，需要對(duì)電池進(jìn)行仔細(xì)檢查，找出漏氣原因及漏氣部位，必要時(shí)，需要對(duì)電池進(jìn)行重新制作。

氣密性檢查完畢之后，即可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，將電池立于試驗(yàn)平臺(tái)上，完成供氣系統(tǒng)和負(fù)載的連接，打開(kāi)水浴鍋開(kāi)關(guān)，設(shè)置陰陽(yáng)極的試驗(yàn)溫度，待溫度達(dá)到試驗(yàn)要求，再打開(kāi)水泵開(kāi)關(guān)，即可對(duì)電池陰陽(yáng)兩極同時(shí)供入特定溫度的冷卻水，之后通過(guò)測(cè)試設(shè)備上對(duì)應(yīng)的控制軟件對(duì)電池進(jìn)行配氣和負(fù)載的控制，完成相應(yīng)的性能測(cè)試工作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用可與試驗(yàn)軟件配套的數(shù)據(jù)采集儀keithlet-2700記下，采集頻率為5 s/次。試驗(yàn)所采用的溫度如表2所示。

表2 試驗(yàn)溫度明細(xì)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同陰極溫度對(duì)電池性能的影響

圖3 陽(yáng)極溫度30℃，陰極溫度變化時(shí)的電池性能

圖3為電池陽(yáng)極溫度固定為30 ℃，在不同壓力條件下，陰極溫度變化時(shí)的電池性能曲線(xiàn)。從圖3中可以看出，隨著陰極溫度的上升，電池的性能在逐漸提高，其中陰極70 ℃時(shí)的電池性能要優(yōu)于50 ℃的情況，同時(shí)50 ℃時(shí)的性能要比30 ℃的好。在3個(gè)不同壓力試驗(yàn)中，電池的最佳性能均不是出現(xiàn)在陰陽(yáng)同溫條件下，而是始終出現(xiàn)在陰極溫度最高的時(shí)候。

類(lèi)似的規(guī)律同樣出現(xiàn)在陽(yáng)極溫度固定為50 ℃和70 ℃的情況。

圖4 陽(yáng)極溫度50 ℃，陰極溫度變化時(shí)的電池性能

圖4為當(dāng)電池陽(yáng)極固定為50 ℃，不同壓力條件下，陰極溫度變化時(shí)的電池性能圖。3個(gè)陰極溫度的相比情況是，70 ℃時(shí)的性能>30 ℃的性能>50 ℃的性能，同陽(yáng)極溫度為30 ℃的試驗(yàn)相比，圖中雖然沒(méi)有反映出電池性能與陰極溫度成正比的關(guān)系，但是還是可以看出，電池在異溫條件下的運(yùn)行性能要優(yōu)于同溫時(shí)的情況，并且當(dāng)陰極溫度最高（70 ℃）時(shí)，電池的運(yùn)行效果最佳。

圖5 陽(yáng)極溫度70℃，陰極溫度變化時(shí)的電池性能

圖5為當(dāng)電池陽(yáng)極固定為70 ℃，不同壓力條件下，陰極溫度變化時(shí)的電池性能圖。從圖中可以看出，當(dāng)陽(yáng)極溫度固定為70 ℃時(shí)，隨著陰極溫度的上升，電池的性能逐漸提高，并且隨著電流的輸入改變，這三者之間的性能差異越來(lái)越明顯。在壓力控制分別為0 Pa、30 kPa和60 kPa的試驗(yàn)條件下，從輸出電壓的反饋來(lái)看，均是當(dāng)陰極溫度最高的，電池?fù)碛凶罴训妮敵鎏匦浴?/p>

3.2 不同陽(yáng)極溫度對(duì)電池性能的影響

圖6 陰極溫度30℃，陽(yáng)極溫度變化時(shí)的電池性能

圖6為當(dāng)電池陰極固定為30℃，不同壓力條件下，陽(yáng)極溫度變化時(shí)的電池性能圖。從圖中可以看出，電池在異溫條件和同溫條件下的運(yùn)行時(shí)，其性能表現(xiàn)各有不同。在3個(gè)壓力試驗(yàn)下，陰陽(yáng)同溫時(shí)的電池性能表現(xiàn)最差；而在異溫條件時(shí)，通過(guò)對(duì)比陽(yáng)極溫度為50 ℃和70 ℃的情況，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極50 ℃的電池性能比70 ℃的好，可見(jiàn)，在一定條件下，陽(yáng)極溫度的提高，并不利于電池的運(yùn)行性能。

圖7 陰極溫度70 ℃，陽(yáng)極溫度變化時(shí)的電池性能

圖7為當(dāng)電池陰極固定為70 ℃，不同壓力條件下，陽(yáng)極溫度變化時(shí)的電池性能圖。圖7(a)是在壓強(qiáng)為0 Pa時(shí)測(cè)得的性能曲線(xiàn)，由圖7可知，陽(yáng)極溫度為30 ℃的曲線(xiàn)一直在溫度為50 ℃和70 ℃的曲線(xiàn)之上，表明在此溫度下，電池具有最佳的表現(xiàn)性能，同樣，陽(yáng)極溫度為50 ℃時(shí)的性能比70 ℃的好，3條曲線(xiàn)之間的對(duì)比大體反應(yīng)出電池的性能隨著陽(yáng)極溫度上升而降低的規(guī)律；圖7(b)是在壓強(qiáng)為30 kPa時(shí)測(cè)得的性能曲線(xiàn)，三條曲線(xiàn)的走勢(shì)符合極化曲線(xiàn)的基本規(guī)律，雖然曲線(xiàn)之間有些錯(cuò)綜交叉，但是還是可以看出，陽(yáng)極溫度最高（70 ℃）時(shí)的電池性能表現(xiàn)的反而最差；圖(c)是在壓強(qiáng)為60 kPa時(shí)測(cè)得的性能曲線(xiàn)，在此試驗(yàn)條件下，不同陽(yáng)極溫度的電池性能無(wú)明顯差別。

3.3 不同異溫條件對(duì)電池性能的影響

圖8(a)為壓強(qiáng)為0 Pa時(shí)，電池陰陽(yáng)兩極在加以不同異溫處理?xiàng)l件下的電池性能曲線(xiàn)。試驗(yàn)中的異溫條件共有6組，其溫度分別為陽(yáng)極70℃、陰極30℃；陽(yáng)極70℃、陰極50℃；陽(yáng)極50℃、陰極30℃；陽(yáng)極30℃、陰極50 ℃；陽(yáng)極50℃、陰極70℃；陽(yáng)極30℃、陰極70℃，其中陽(yáng)極溫度是按逆向溫度梯度設(shè)置，陰極溫度則相反，按著正向溫度梯度設(shè)置。在相同的電流輸入控制下，不同溫度條件下的輸出電壓不同，其代表的電池性能也有差異。

如圖8所示，陽(yáng)極30 ℃、陰極70 ℃所代表的性能曲線(xiàn)皆在所有曲線(xiàn)之上，而陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃的性能緊隨其后，根據(jù)陰陽(yáng)兩極溫度梯度設(shè)置的規(guī)律，筆者發(fā)現(xiàn)這個(gè)兩組溫度所代表的均是陽(yáng)極溫度較低，陰極溫度較高的情況，而由其所反饋的輸出電壓，可以推斷，在此情況下，電池具有較好的運(yùn)行特性。

圖8 不同異溫條件的電池性能

同樣在圖8上，還可發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極70 ℃、陰極30 ℃所表示的曲線(xiàn)是在所有曲線(xiàn)之下的，這種“高陽(yáng)極溫度、低陰極溫度”的情況下，電池的運(yùn)行性能反而不好，這一點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了筆者剛才的結(jié)論。

圖8(b)的溫度設(shè)置條件與圖8(a)的一致，只是將壓力條件改變?yōu)榱?0 kPa。從圖中所反應(yīng)出來(lái)的曲線(xiàn)走勢(shì)來(lái)看，還是陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃和陽(yáng)極30 ℃、陰極70 ℃所代表的曲線(xiàn)性能最好，同樣陽(yáng)極70 ℃、陰極30 ℃所代表的曲線(xiàn)性能最差。圖8(a)的結(jié)論同樣適用。

圖8(c)是在60 kPa壓力條件下測(cè)得的性能曲線(xiàn)，電池性能表現(xiàn)較好的曲線(xiàn)依然是陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃和陽(yáng)極30℃、陰極70 ℃的情況，說(shuō)明“在較高的陰極溫度和較低的陽(yáng)極溫度下，電池具有較好的性能表現(xiàn)”同樣在此壓力條件下成立。

3.4 壓力對(duì)異溫的影響

由圖8可知，通過(guò)對(duì)6個(gè)異溫試驗(yàn)條件的比較，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極溫度較高、陽(yáng)極溫度較低時(shí)，電池具有最佳的運(yùn)行性能。這其中的典型代表是陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃和陽(yáng)極30 ℃、陰極70 ℃的這兩條曲線(xiàn)，但是在不同壓力條件下進(jìn)行分析時(shí)，這兩條曲線(xiàn)的表現(xiàn)又略顯不同，例如：當(dāng)壓力為0 Pa時(shí)，在整個(gè)電流改變的過(guò)程中，都是陽(yáng)極30 ℃、陰極70 ℃的曲線(xiàn)在陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃之上的，然而當(dāng)壓力變?yōu)?0 kPa和60 kPa的時(shí)候，卻是兩條曲線(xiàn)交錯(cuò)上升的變化規(guī)律，其中：在壓力為30 kPa的時(shí)候，在電流為12 A之前，是陽(yáng)極30 ℃、陰極70 ℃的曲線(xiàn)在陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃之上，然后在電流為12 A之后，卻變?yōu)殛?yáng)極30 ℃、陰極70 ℃的曲線(xiàn)在陽(yáng)極50 ℃、陰極70 ℃之下；而在壓力為60 kPa的時(shí)候，這一情況卻提前出現(xiàn)了，交錯(cuò)變化時(shí)對(duì)應(yīng)的電流大約是8 A。

通過(guò)30 kPa與60 kPa的曲線(xiàn)對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)兩條曲線(xiàn)交叉變化的相交點(diǎn)隨著壓力的變化而發(fā)生了前移，這證明壓力是對(duì)異溫條件有影響的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，分別在電池的陽(yáng)極端板和陰極端板設(shè)計(jì)出相互獨(dú)立的冷卻流道，并且建立相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)，搭配試驗(yàn)室所提供的測(cè)試平臺(tái)，研究了電池在陰陽(yáng)兩極異溫條件下的運(yùn)行性能，通過(guò)改變溫度及壓力的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電池在不同的異溫處理?xiàng)l件下，其性能表現(xiàn)各有不同。得出主要結(jié)論如下。

a. 改變陰極溫度。將電池陽(yáng)極處的冷卻水溫度設(shè)定為某一固定值（如30 ℃、50 ℃、70 ℃），然后改變電池陰極區(qū)域冷卻水的溫度，研究電池在陰極溫度改變的條件下，其性能表現(xiàn)有何不同。發(fā)現(xiàn)：當(dāng)陰極溫度較高時(shí)，電池具有較好的輸出特性。

b. 改變陽(yáng)極溫度。將電池的陰極溫度設(shè)為定值，只改變陽(yáng)極冷卻水的溫度，研究電池的性能隨陽(yáng)極溫度變化的情況。結(jié)果表明：當(dāng)陽(yáng)極溫度較低時(shí)，電池運(yùn)行特性較好。

c. 不同異溫條件對(duì)電池性能的影響。對(duì)電池陰極和陽(yáng)極加以不同的冷卻處理溫度，設(shè)置出6組異溫的條件，研究電池在不同壓力條件下，這6組電池性能的差異。發(fā)現(xiàn)：陰極溫度較高，同時(shí)陽(yáng)極溫度較低時(shí)的電池性能最好。

d. 壓力對(duì)異溫的影響。在對(duì)6組異溫條件下的電池性能曲線(xiàn)對(duì)比時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大，性能表現(xiàn)最好的兩條曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)并非一層不變，而是出現(xiàn)了交替上升的形式，并且隨著壓力的增大，交錯(cuò)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流發(fā)生了前移的現(xiàn)象，可見(jiàn)壓力對(duì)異溫時(shí)電池的性能具有一定的影響。