PEM燃料电池的伏安特性及其影响因素

周宇

摘要：本文主要分析了PEM燃料电池伏安特性及其影响因素的相关问题，整个研究通过实验分析的方式开展，通过实验研究，对PEM燃料电视的伏安特性及其影响因素进行分析。从本次研究结果可知，加热温度、氮氢气等都会对PEM燃料电池的特性产生影响，应该得到相关人员的重视。

关键词：PEM燃料电池；伏安特性；影响因素

相关研究指出，电池温度及其加湿温度已经成为影响PEM燃料电池性能的重要因素[1]，目前学术界普遍认可：燃料电池的操作温度、湿度等流量的变化都有可能影响电池，因此为了进一步提高电池性能，必须要进一步讨论这些参数对电池所产生的具体影响，才能进一步加深对PEM燃料电池的认识，为强化PEM燃料电池性能奠定基础。

1 实验介绍

1.1 实验系统

在本次实验研究中，采用Fuel Cell Tehnilogies制造的测试系统进行研究，用来判断PEM燃料电池的基本性能，该系统能够有效测量PEM燃料电池的极化曲线、功率变化密度等基本审计局。通过调节Agilent的N3300A型电子负载能获得燃料电池的伏安的响应变化曲线。系统依靠Labview采集、收集存储各种实验数据，整个系统能够设置、读取PEM燃料电池的电流、电压电池温度等基本数据变化。

实验过程中的气体扩散层是通过碳纸制成，在扩散层的内侧附有非常薄的碳层。将MEA膜安装在两块石墨板之间，并分别在两块石墨板之间外架两个镀金铜板。

1.2 实验过程

本次实验过程如下：

（1）实验前使用氮气充分吹扫阴阳两极套管，保证实验安全；

（2）打开燃料电池测量系统电源，开启氢气瓶阀门；

（3）根据实验要求设置相应的参数，包括反应气体流量、电池加热温度、背压等；

（4）为了能够有效的监督电池实验的结果，在实验界面上设置实验数据显示设备，用来记录PEM燃料电池极化实验中不同工况下的相邻数值电压差异；

（5）本次试验中，软件界面能够随时记录燃料电池的伏安特性变化规律，并且会在特定的时间下记录数据变化情况；

（6）通过计算机系统获取本次实验的信息资料，保证信息可靠性。

为了保证整个实验数据都是在燃料电池系统处于稳定状态下完成的，因此整个实验过程所需要的实验时间很长，以240s作为相邻两个数据的记录时间间隔。

2 实验结果分析

2.1 燃料电池加热温度的影响

本次试验结果显示，加热温度会直接影响PEM燃料电池的伏安特性，随着温度的增加（尤其是加热温度从50℃上升到70℃时），电池温度的升高会直接影响PEM燃料电池的伏安特性，两者之间呈现出正比例关系；而当温度从70℃上升到90℃时，PEM燃料电池的伏安特性出现了下降，两者之间出现反比例关系。该结果说明，如果电池温度小于加湿温度，则PEM燃料电池的性能与加热温度之间就会保持正比例关系，加热温度的升高有助于改善电池性能。而当电池的加热温度高于加热温度时，PEM燃料电池的性能会受到影响，出现数值水平降低的现象。

除此之外，文献[23]也通过研究认为，电池加热温度小于70℃时，PEM燃料电池的电压会随着电池的温度变化而变化，两者之间呈正比例关系；而当电池的加热温度超过70℃后，电压会将其，尤其是在高电流密度条件下，这种变化就变得更加明显。这是因为PEM燃料电池的温度变化具有化学反应的特点，当电池的温度升高之后，电池内部的电化学反应速度将会明显加快，这一现象有助于强化交换电流水平，使电池性能达到预期。同时，燃料电池温度的上升也会强化反应物与生成物之间的传递速率，这种现象也有助于提高电池性能。当电池的加热温度超过70℃后，PEM燃料电池的性能会受到质子膜成分阻抗控制，此时质子膜会因为电池温度过高而产生脱水现象，降低了质子传感率，增大了阻抗性能，最终影响PEM燃料电池性能。

2.2 氢气加湿温度的影响

在本次实验中发现，氢气加湿温度也会影响PEM燃料电池伏安特性，当氢气加湿温度从50℃上升到70℃后，会发现随着温度的升高，PEM电池的性能也不断改善；但是当温度超过70℃后，电流密度小于1.0A/cm2，电池性能基本上没有变化，而当电流密度超过1.0A/cm2时，电池的伏安特性反而出現下降的趋势。导致出现这一现象的主要原因为：受加湿温度下降的影响，氢气携带水分的能力下降，最终无法将足够的水分带入到阳极催化层中，导致质子膜的阻抗能力上升，而质子膜阻抗是影响PEM燃料电池性能的重要因素，因此两者之间存在联系。随着氢气加湿温度水平升高，该气体所携带的水分不断增加，这样有助于降低阳极催化层的阻抗水平，最终提高电池性能；而如果氢气加湿温度水平国道，氢气所携带的水分明显超过质子在质子膜迁移过程中需要的水分，最终导致电极多空介质中出现富余写太水，不利于保证内部气体扩散[4]。

3 结论

在本次研究中，共得出以下结论：

（1）如果反应气体加湿温度的水平明显高于电池所需要的加热温度，通过调整电池温度就能有效强化PEM燃料电池性能，并且当加热温度高于反应气体的加湿温度后，其温度回评大于电池加热温度，PEM燃料电池的性能将会出现下降。

（2）氢气的作用机制不同，当其加湿温度明显低于加热温度时，随着加湿温度的升高，电池的性能也会得到改善；相反，当加湿温度高于加热温度后，加湿温度的增加反而会降低电池性能。

（3）本次实验发现，PEM燃料电池的加湿温度与电池温度的临界点温度都是70℃，该结果提示：在未来的实验研究中，当温度水平接近70℃时必须要全面观察PEM燃料电池的性能变化情况，才能保证实验质量。

参考文献：

[1]陈士忠，王艺澄，于东旭，等.基于温度条件下PEM燃料电池的动态特性[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2016，32（03）：506511.

[2]夏发银，陈玉，宾洋.基于SIMULINK的PEM燃料电池系统模型建立及其仿真分析[J].宿州学院学报，2016，31（01）：102105.

[3]黄维娜.多层PEM燃料电池催化层反应效率的优化研究[D].电子科技大学，2015.

[4]徐腊梅.PEM燃料电池动态特性的建模与仿真研究[D].武汉理工大学，2007.