加湿温度对燃料电池性能影响的实验研究

王世学，齐 贺

（1.天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300072；2.天津大学 机械工程学院，天津300072）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种能量转换装置，将氢气与氧气的化学能转换为电能，具有清洁、高效、可靠的特点，因此在交通运输、便携设备、固定发电等应用领域极具竞争力.近年来，随着能源与环境问题越来越突出，着眼于提高PEMFC性能、降低生产与运行方面成本的研究越来越多［1-2］.

在PEMFC工作过程中，除了产生直流电外，还会相应地产生水和热量.研究表明，PEMFC 的性能与质子交换膜的质子传导率密切相关，质子传导率依赖于质子交换膜内水的含量，不合理的水热管理将导致质子交换膜干涸或者水淹［3］.

操作参数是影响PEMFC性能和稳定性的重要因素之一，也是水热管理的主要研究内容.迄今为止，许多学者研究了操作参数如电池工作温度，操作压力，加湿温度等对性能的影响［4-5］，特别是加湿温度对燃料电池性能的影响［6-7］.丁刚强等［8-11］认为氢气加湿温度对燃料电池性能的影响较重要，而阴极侧空气的加湿对性能的影响很小.Lin 等［12-16］认为阴极侧空气的加湿对燃料电池性能稳定性方面起到重要的作用，如果阴极加湿充分，阳极氢气的加湿对性能影响很小.综上所述，由于各学者实验条件的不同，所得出的气体加湿温度对性能影响的结论也不同，本文将使用在上述文献中没有使用过的质子交换膜Nafion 212，并结合阴阳极流场入口压力，探讨阴极加湿温度和阳极加湿温度对燃料电池性能的不同影响.

1 实验装置及方法

1.1 单电池结构

实验中所用单电池由膜电极（MEA），2块石墨流场板，2块绝缘板和2块端板构成.石墨流场板规格为90mm×90mm×20mm，膜电极有效面积为25cm2（50 mm×50 mm），膜电极的质子交换膜采用Nafion 212，催化剂铂（Pt）用量是0.4mg／cm2，扩散层采用的是TGH-H-060碳纸.如图1 所示为石墨流场板，实验用燃料电池阴阳极皆采用单蛇形流道，流道宽1mm，深1mm，脊宽1mm.

图1 石墨流场板Fig.1 Graphite flow field plate

实验用单电池没有外部控温措施，因此电池温度会随着反应时间而变化.燃料电池温度通过插在测温孔内的热电偶进行测量，测温孔位置及深度如图1所示.因为在电池内部流场区域内的温度分布很均匀［17］，因此，本实验中只测一点温度并视其为平均电池温度.

1.2 质子交换膜燃料电池测试系统

如图2所示为燃料电池测试系统，由宁波拜特测控技术有限公司制造.该测试系统可以控制气体流量（精度：1%满量程）、加湿温度（精度±2 ℃）和燃料电池背压（精度：1%满量程），所有操作均由电脑终端实施完成.在气体进入测试系统后，先进入水箱，通过控制水箱内水的温度来调节气体的加湿温度.为避免加湿气体在通往电池的管道中发生冷凝，管道周围装有加热保温带，其可以控制2个温度：露点温度（θDew）和进气温度（θin），实验中这2个温度应设置成略高于水箱内水的温度.对连接测试设备和单电池的管路实施保温，尽量避免加湿气在管道内冷凝.测试系统电子负载为100 W.

图2 燃料电池测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

1.3 实验条件及步骤

燃料电池恒流放电，放电电流密度为0.8 A／cm2，氢气（钢瓶气）流量为4cm3／s，空气（钢瓶气）流量为12.67cm3／s，氢气与空气的计量比分别是1.5和2.燃料电池背压设置为0，反应气体均在相应加湿温度下饱和加湿，即相对湿度为100%，不加湿时认为相对湿度是0，加湿温度的具体数值详见结果与讨论部分.

实验步骤如下：

1）实验之前，对PEMFC进行氮吹扫3min

2）设置各参数：气体流量、加湿温度、露点温度、进气温度、和背压，为避免加湿气体在管道内冷凝，露点温度比加湿温度高1 ℃，进气温度比露点温度高1 ℃.

3）当以上参数达到要求值时，设置电子负载，设置电流密度为0.8A／cm2.

4）记录参数：电压、电池温度、阴阳极进口压力，在实验过程中，记录每2个数据点的时间间隔为1s.

2 结果和讨论

图3 电压，阴极入口压力，阳极入口压力，电池温度随反应时间的变化（阴阳极加湿温度均为40 ℃）Fig.3 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air and hydrogen is humidified at 40 ℃）

图4 电池温度随反应时间的变化（阴阳极加湿温度均为40 ℃）Fig.4 Variations in cell temperatures（air and hydrogen is humidified at 40 ℃）

图5 电压，阴极入口压力，阳极入口压力，电池温度随反应时间的变化（阳极与阴极加湿温度均为60℃）Fig.5 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air and hydrogen is humidified at 60 ℃）

如图3、4、5所示分别为气体加湿温度为40℃、60 ℃（相对湿度为100%）的实验结果（空气与氢气加湿温度相同）.图中，U 为电池电压，pc为阴极入口压力，pa为阴极入口压力，θ 为电池温度，t为时间.电池在较高电流密度区放电时，会放出大量的热，从而使电池的温度升高.温度的提升一方面会提高电化学反应速率，另一方面也会影响膜电极内的水平衡.当加湿温度为40 ℃时，电池电压最终下降为0，由于加湿不充分，膜电极的干涸导致膜电阻增大，致使电压的持续下降.因此，在图4中，电池温度在整个运行过程中并没有稳定，而是持续上升.阴极压差比阳极压差高的原因是：空气的黏度高于氢气，空气的流量高于氢气，电化学反应产物水在阴极产生.流道中的液态水是影响流道内压力大小的因素之一，因此流场内压力（特别是阴极压力）可以作为判断流场内液态水状况的手段［18-21］.图3中阴极压力pc逐渐降低，阴极流道内液态水含量较少，电压的波动与阴极压力的波动具有正相关关系，即阴极压力曲线上，在3 000s之后出现的波动，同时在电压曲线上也出现了相同趋势的波动，这意味着膜电极处于干燥的状态，液态水的出现有益于性能的提高.在图5中，阴阳极的加湿温度比图3中高，阴极压力虽有波动，但基本稳定在21kPa左右，电压输出较稳定.

图6 电压，阴极入口压力，阳极入口压力，电池温度随反应时间的变化（阳极加湿温度：60 ℃，阴极加湿温 度：40 ℃）Fig.6 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is humidified at 40 ℃，and hydrogen is humidified at 60 ℃）

图7 电压，阴极入口压力，阳极入口压力，电池温度随反应时间的变化（阳极加湿温度：40 ℃，阴极加湿温 度：60 ℃）Fig.7 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is humidified at 60 ℃，and hydrogen is humidified at 40 ℃）

如图6、7所示分别为氢气与空气具有不同加湿温度时的实验结果.图6 中氢气的加湿温度为60℃，空气的加湿温度为40℃，与图3相比，阳极加湿温度的提高虽然使电池能够持续放电，即没有出现电压降为0的情况，但是电压输出很不稳定，同时阴极压力的波动与电压的波动类似.图7中氢气加湿温度为40 ℃，空气加湿温度为60 ℃，与图3、图6相比，空气加湿温度由40℃提高到60℃，对提高燃料电池性能及电压输出的稳定性具有明显效果.由于空气加湿温度的提高，带入阴极的水分变多，使得图7中阴极压力较图3，图6中稳定.从图3到7可以看出，通过改变空气的加湿温度，阴极流道内的液态水状况发生改变，阴极压力的高低与稳定性也将受到影响.通过对比电池温度可以看出，在电压输出稳定的结果中，电池温度变化曲线也比较平滑.

如图8所示为当氢气不加湿（流量4cm3／s），空气加湿温度为60 ℃（流量12.67cm3／s）的实验结果.如图9所示为空气不加湿（流量12.67cm3／s），氢气加湿温度60 ℃（流量12.67cm3／s）的实验结果.图8中由于氢气没有加湿，电压值较低，在300到350mV 内波动，但是电压输出比较稳定，在此验证了阴极空气的加湿对电压输出稳定性的重要，氢气在不加湿的情况下，燃料电池可以稳定发电，虽然电压值不高.图9中氢气流量升高到与空气流量相同，都为12.67cm3／s，但是空气不加湿，所得到的电压曲线波动比较剧烈.因此，在本研究中所使用的流量范围内，相同流量相同加湿温度的氢气与空气，空气在提高燃料电池性能和稳定性方面所起到的作用更明显.

图8 电压，阴极入口压力，阳极入口压力，电池温度随反应时间的变化（阳极加湿温度：不加湿，阴极加湿 温 度：60 ℃）Fig.8 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is humidified at 60 ℃，and hydrogen is dry）

3 结 语

图9 电压，阴极入口压力，阳极入口压力，电池温度随反应时间的变化（阳极加湿温度：60 ℃，阴极加湿温度：不加湿）Fig.9 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is dry，and hydrogen is humidified at 60 ℃）

本文探讨了PEMFC不同加湿温度的阴阳极气体对性能的影响，得到了PEMFC 单体在不同加湿温度条件下从启动到稳定阶段电压、阴阳极压力、电池温度随运行时间的变化曲线，重点分析了稳定阶段各参数间的关系.实验结果表明，在氢气计量比为1.5，空气计量比为2的情况下，氢气与空气的加湿对燃料电池性能的提升都是必要的，空气的加湿温度对保证燃料电池性能输出稳定性方面具有更大的作用，空气加湿温度的高低影响了阴极流道内液态水的状况，从而影响电压输出的稳定性.将氢气流量提高到与空气相同水平，氢气加湿温度对性能的影响不如空气加湿温度对性能稳定性的影响大.

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）：

［1］WANG Y，CHEN K S，MISHLER J，et al.A review of polymer electrolyte membrane fuel cells：technology，applications，and needs on fundamental research［J］.Applied Energy，2011，88（4）：981-1007.

［2］刘朝玮，王保国，何小荣.质子交换膜燃料电池研究及应用现状［J］.现代化工，2004，24（9）：10-13.LIU Chao-wei，WANG Bao-guo，HE Xiao-rong.Review on proton exchange membrane fuel cell and its applications［J］.Modern Chemical Industry，2004，24（9）：10-13.

［3］YOUSFI-STEINER N，MOÇOTÉGUY P，CANDUSSO D，et al.A review on PEM voltage degradation associated with water management：Impacts，influent factors and characterization ［J］.Journal of Power Sources，2008，183（1）：260-274.

［4］王文东，陈实，吴峰.温度、压力和湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响［J］.能源研究与信息，2003，19（1）：39-46.WANG Wen-dong，CHEN Shi，WU Feng.Effects of temperature，pressure and humidity on the performance of proton exchange membrane fuel cells［J］.Energy Research and Information，2003，19（1）：39-46.

［5］谢晋，黄允千.温度、湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响［J］.上海海事大学学报，2005，26（3）：60-63.XIE Jin，HUANG Yun-qian.Effects of temperature and humidity on the performance of proton exchange membrane fuel cells［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2005，26（3）：60-63.

［6］胡桂林，樊建人.交指状流场质子交换膜燃料电池的数值分析［J］.浙江大学学报：工学版，2009，43（6）：1147-1151.HU Gui-lin，FAN Jian-ren.Numerical analysis of proton exchange membrane fuel cell with interdigitated flow fields［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2009，43（6）：1147-1151.

［7］WONG K H，LOO K H，LAI Y M，et al.A theoretical study of inlet relative humidity control in PEM fuel cell［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（18）：11871-11885.

［8］丁刚强，罗志平，潘牧.温度、流量和湿度对单蛇形流场PEMFC的影响［J］.电池，2006，36（3）：178-180.DING Gang-qiang，LUO Zhi-ping，PAN Mu.Effects of temperature，flux and humidity on the PEMFC with single serpentine flow field［J］.Battery Bimonthly，2006，36（3）：178-180.

［9］WANG L，HUSAR A，ZHOU T，et al.A parametric study of PEM fuel cell performances［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28（11）：1263-1272.

［10］HYUN D，KIM J.Study of external humidification method in proton exchange membrane fuel cell［J］.Journal of Power Sources，2004，126（1）：98-103.

［11］AMIRINEJAD M，ROWSHANZAMIR S，EIKANI M H.Effects of operating parameters on performance of a proton exchange membrane fuel cell［J］.Journal of Power Sources，2006，161（2）：872-875.

［12］LIN R，CAO C，MA J，et al.Optimizing the relative humidity to improve the stability of a proton exchange membrane by segmented fuel cell technology［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（4）：3373-3381.

［13］SUN H，ZHANG G，GUO L J，et al.Effects of humidification temperatures on local current characteristics in a PEM fuel cell［J］.Journal of Power Sources，2007，168（2）：400-407.

［14］YAN Q，TOGHIANI H，CAUSEY H.Steady state and dynamic performance of proton exchange membrane fuel cells （PEMFCs）under various operating conditions and load changes ［J］.Journal of Power Sources，2006，161（1）：492-502.

［15］JEON D H，KIM K N，BAEK S M，et al.The effect of relative humidity of the cathode on the performance and the uniformity of PEM fuel cells［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（19）：12499-12511.

［16］JIAO K，HE P，DU Q，et al.Three-dimensional multiphase modeling of alkaline anion exchange membrane fuel cell［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2014，39（11）：5981-5995.

［17］HASHIMASA Y，NUMATA T，MORIYA K，et al.Study of fuel cell structure and heating method：Devel-opment of JARI's standard single cell［J］.Journal of Power Sources，2006，155（2）：182-189.

［18］HE W，LIN G，VAN NGUYEN T.Diagnostic tool to detect electrode flooding in proton exchange membrane fuel cells［J］.AIChE Journal，2003，49（12）：3221-3228.

［19］BANERJEE R，HOWE D，MEJIA V，et al.Experimental validation of two-phase pressure drop multiplier as a diagnostic tool for characterizing PEM fuel cell performance［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2014，39（31）：17791-17801.

［20］HSIEH S S，HER B S，HUANG Y J.Effect of pressure drop in different flow fields on water accumulation and current distribution for a micro PEM fuel cell［J］.Energy Conversion and Management，2011，52（2）：975-982.

［21］CHEN J.Dominant frequency of pressure drop signal as a novel diagnostic tool for the water removal in proton exchange membrane fuel cell flow channel［J］.Journal of Power Sources，2010，195（4）：1177-1181.