孫佳1，郭樺2，陳士忠1，3，吳玉厚1

(1.沈陽建筑大學交通與機械學院，遼寧沈陽110168；2.沈陽工程學院經濟管理系，遼寧沈陽110034；3.大連理工大學機械學院，遼寧大連116024)

摘要：目的研究質子交換膜燃料電池運行中的電池溫度、兩極加濕溫度對電池性能的影響。方法運用質子交換膜電池單體的測試系統(tǒng)進行了不同工作溫度、氣體加濕溫度對電池性能影響的測試實驗。結果得到了3個溫度在實驗條件下，在一定范圍、一定間隔內的所有數(shù)據組合。結論固定除溫度外的所有操作參數(shù)條件下，電池工作溫度、陰極和陽極的加濕溫度對電池性能的影響順序也是固定的；低電流工作下，電池性能不受操作溫度的影響，只與其幾何參數(shù)有關；電池的極化曲線中存在兩個過渡區(qū)，過渡區(qū)是在一定范圍內出現(xiàn)的。實驗結果對質子交換膜燃料電池結構的優(yōu)化和設計具有重要的指導意義。

對質子交換膜(PEM)的研究和應用日益受到人們的重視，其將逐步成為石化燃料的替代能源。在質子交換膜的研究領域，關于模型方面的研究，已經分別建立了二維、三維等數(shù)學模型，并且在理論方面獲得了令人滿意的模擬結果。在實驗方面，衣寶廉等人從膜組成、電池的結果等方面對PEM燃料電池性能的影響作了研究。吳玉厚等人研究了操作參數(shù)如背壓、輸入氣體流量、輸入氣體加濕溫度和電池溫度等對PEM燃料電池伏安特性和功率密度的影響。

WangLin等人對PEM燃料電池進行了參數(shù)實驗，得到了不同參數(shù)下的電池性能變化趨勢。但對電池操作條件間的相互關系及對電池性能的影響還未見報道。同時，日趨商業(yè)化的質子交換膜燃料電池迫切需要建立一套不同操作條件下的系統(tǒng)化實驗數(shù)據。這樣的一套系統(tǒng)化實驗數(shù)據可以加速新型燃料電池的開發(fā)和優(yōu)化，還可以指導商業(yè)化PEM燃料電池的操作?；谏鲜瞿康模P者對質子交換膜燃料電池單體在不同的操作溫度下進行了系統(tǒng)化測試，對獲得的數(shù)據進行了分析，得到了3個影響溫度之間可能存在的內在關系。并通過數(shù)學計算方法對溫度之間的關系進行了更深入的探索。

1實驗裝置

燃料電池測試系統(tǒng)是采用美國電化學公司生產的MTS150型質子交換膜燃料電池單體測試儀。該設備可以完成對電池工作溫度、氣體加濕溫度、反應壓力及氣體流量的控制過程。圖1為實驗裝置示意圖。表1為實驗測試PEM燃料電池單體的基本幾何參數(shù)，電池中質子交換膜采用Nafion112質子交換膜，其厚度為0.051mm。

2實驗結果與分析

2.1溫度影響的實驗分析

這里所指的溫度包括：電池的工作溫度、陰極氣體的加濕溫度、陽極氣體的加濕溫度。

3個溫度同時影響著燃料電池膜電三合一組件的水合度，高電流工作下，膜電三合一組件水平衡的好壞直接關系到膜的傳導率，而提高膜的傳導率是改善PEM燃料電池性能的重要途徑。并且3個溫度之間也存在著相互改善和制約的關系。所以筆者特別地將燃料電池的3個溫度作為一個整體進行了測試和分析。所有實驗中除溫度外其他操作參數(shù)均為定值：氫氣質量流量是600cm3/min，實驗所用的氧化劑為氧氣其質量流量為200cm3/min，反應氣體的背壓為0.1MPa。

2.1.1加濕溫度對電池性能的影響

研究不同電池溫度下，電池性能與反應氣體加濕溫度的關系。電池溫度在323．15~353.15K間變化，每次變化10K。每組數(shù)據是在保持電池設定溫度不變，同時使陰極和陽極的加濕溫度在313.15K~363.15K范圍內變化，每次升高10K，在兩側電極加濕溫度變化之后，電池性能趨于穩(wěn)定時開始數(shù)據記錄，而且，通過改變電池的工作電壓來測試不同電池溫度和兩極加濕溫度下的電池性能，記錄間隔約為200s。并將實驗數(shù)據在0-rigin軟件下繪制成電池的性能曲線(極化曲線)如圖2所示。

從數(shù)據整體來看，隨著兩極加濕溫度的升高電池的性能得到了不斷的改善，這是由于加濕溫度升高使質子交換膜中的水分布得到了改善，膜的性能在很大程度上取決于膜中水的含量，控制適當?shù)乃植伎梢燥@著的提高電池的性能。同時在低溫型PEM燃料電池中，電化學熱力學和電化學動力學共同作用條件下，動力學因素起主導作用的結果。圖2中，各圖對比得出電池溫度升高，電池性能是先升高后下降的趨勢，343.15K是變化的頂點。在電池溫度較高條件下，加濕溫度的升高將不會出現(xiàn)淹沒現(xiàn)象。但在低加濕溫度下，則可能出現(xiàn)干枯現(xiàn)象。同時從4幅圖中還可以發(fā)現(xiàn)在每一幅圖中都會出現(xiàn)明顯或不明顯的振蕩曲線，稱其為臨界線，臨界線被認為是在3種狀態(tài)(干枯態(tài)、飽和態(tài)、淹沒態(tài))的過渡范圍內的振蕩曲線，并將干枯態(tài)與飽和態(tài)之間稱為一類臨界線，飽和態(tài)與淹沒態(tài)之間成為二類臨界線。圖2中臨界線且均為一類臨界線。

在一類臨界線以下是膜處于缺水狀態(tài)，該臨界線之上膜的含水量得到提高，使電池性能好轉。而在加濕溫度過高的時候，則會出現(xiàn)二類臨界線來控制膜含水量由飽和到淹沒的過渡。

2.1.2氧氣加濕溫度對電池性能的影響

5組實驗數(shù)據分別是在陰極溫度由323.15K~363.15K變化，每次變化10K得到的，每一組電池陰極加濕溫度保持不變，改變電池溫度和陽極加濕溫度在323.15K~363.15K變化，每次升高10K。同樣是通過電子負載改變電池的工作電壓來描述電池的性能，如圖3所示。

從這5幅圖中可以看出電池陰極加濕溫度變化過程中電池的最好狀態(tài)均出現(xiàn)在電池和陽極加濕溫度最低條件下。這是由于陰極氧氣的質量流量比較小，加濕溫度對氣體攜水量影響不大。圖3中隨陰極加濕溫度升高，電池性能同樣是先升后降，343.15K為其最佳狀態(tài)。

5組數(shù)據中除陰極加濕溫度為323.15K時是整體動蕩過程外(變化趨勢為先高后低，再高再低的過程)，其他數(shù)據均存在著一類臨界曲線。

2.1.3氫氣加濕溫度對電池性能的影響

通過實驗獲取5組數(shù)據，每組數(shù)據是在電池陽極氫氣的加濕溫度分別恒定在323.15K、333.15K、343.15K、353.15K、363.15K下測得的。每組是將電池溫度和陽極的加濕溫度在323.15K~363.15K內變化，變化梯度為10K。在3個溫度的各個配合下，通過改變電池工作電壓，再對電流的變化進行記錄作為實驗的數(shù)據，如圖4所示。

當陽極加濕溫度為323.15K與333.15K時，陽極一側的膜沒能達到完全飽和。因此電池性能會隨電池溫度和陰極加濕溫度的升高出現(xiàn)等比例的下降。而當陽極加濕溫度繼續(xù)升高使膜在陽極一側的含水量得到改善，進而使性能得到了提高，如圖4(c)(d)(e)所示。圖4中隨陽極加濕溫度的升高電池性能變化不明顯，這與電池陽極氣體流量較大有關。圖4中出現(xiàn)了明顯的過渡區(qū)，并且隨陽極加濕溫度的升高在向下移動。

電池的3個控制溫度對電池性能的影響順序受許多因素影響，如兩個氣體的流量等。但在固定了除溫度外的所有操作參數(shù)的條件下，這個影響順序也是固定的。從圖2、3、4中可以看出當3個溫度分別變化時對電池性能影響的先后順序為陰極加濕溫度，陽極加濕溫度，電池工作溫度。

2.2溫度影響的理論分析

通過掌握和控制3個溫度的相互關系，使電池內工作的水環(huán)境得到改善和提高，對實現(xiàn)燃料電池的優(yōu)化設計具有十分重要意義。下面通過理論方法研究陰極加濕溫度對陰極水狀態(tài)的影響。

2.2.1溫度對電池中水的影響

假設：瞬時排出電池的氣體中不攜帶液態(tài)水。首先，通過對電池幾何參數(shù)的計算可得到了電池單側氣體流道的總體積為

2.2.2溫度的相互影響

通過計算出的結果及經驗數(shù)據可以繪出3個溫度的相互關系圖，如圖5所示。圖中還分析了其主要控制因素和影響程度。該圖還以對電池在實際應用中的操作給出了參考性指導。

3結論

(1)操作條件固定，3個溫度對電池性能的影響程度的順序也是固定的，本實驗的影響順序為陰極加濕溫度，陽極加濕溫度，電池工作溫度。

(2)由于在低的工作電流下電池的動力學特性是由電化學極化控制。在該區(qū)中活化極化比離子極化更大，所以低的工作電流下，電池性能不受操作參數(shù)影響，只于電池結構的幾何參數(shù)有關。

(3)在改變操作參數(shù)時，在特定的變化范圍內會出現(xiàn)從膜的干枯區(qū)到性能改善區(qū)，及從膜的飽和區(qū)到淹沒區(qū)的兩個臨界狀態(tài)。

(4)計算得到了電池溫度為353.15K時，陰極加濕溫度的最佳工作范圍為336.15~361.15K，陽極加濕的最佳工作范圍為343.15~373.15K。