孫紅，吳玉厚

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168)

摘要：目的優(yōu)化質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的操作參數(shù)，提高PEM燃料電池的性能和穩(wěn)定性，降低成本。方法運(yùn)用燃料電池測(cè)試站對(duì)有效面積為16cm2的PEM燃料電池單體的伏安特性和功率密度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析了空氣流量、氫氣流量和背壓對(duì)PEM燃料電池性能和功率密度的影響。結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：增大空氣流量，燃料電池的性能可以持續(xù)提高；增大氫氣的流量，電池性能先提高，但流量達(dá)到一定值后，性能幾乎不變；增大電池背壓，電池性能提高。結(jié)論電極的淹沒(méi)現(xiàn)象主要存在于PEM燃料電池的陰極；實(shí)驗(yàn)條件下，氫氣流量存在最佳值。

目前，PEM燃料電池及其系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得顯著成果，但昂貴的成本仍然是其難以商業(yè)化的主要障礙。提高性能，降低成本是PEM燃料電池研究的主要方向之一。Wang和Liu等人以及吳玉厚等人實(shí)驗(yàn)研究了操作參數(shù)對(duì)蛇形流道和交叉指狀流道PEM燃料電池性能的影響。Wang、Hakenjos和Liu等人通過(guò)測(cè)量局部電流密度研究了PEM燃料電池的性能，優(yōu)化操作參數(shù)。在理論模擬研究上，Liu、Wang、和Sun等分別建立了PEM燃料電池內(nèi)傳熱傳質(zhì)的二維、三維和二維兩相流模型，研究了操作參數(shù)和電池結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)部傳熱傳質(zhì)規(guī)律的影響。這些研究成果對(duì)PEM燃料電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能的提高具有重要意義。

為了保證PEM燃料電池處于高性能狀態(tài)，必須根據(jù)燃料電池的實(shí)際工作環(huán)境，選擇合理的操作參數(shù)。筆者對(duì)PEM燃料電池單體的性能和功率密度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。分析了電池壓力、氫氣流量和空氣流量對(duì)PEM燃料電池性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)及其裝置

筆者實(shí)驗(yàn)中采用燃料電池測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)量PEM燃料電池的伏安曲線和電壓變化曲線。這套測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量和控制燃料電池的加熱溫度、加濕溫度、背壓和反應(yīng)氣體流量。用加濕器來(lái)對(duì)氫氣和空氣加濕，調(diào)節(jié)加濕器的溫度來(lái)控制反應(yīng)氣體的濕度，質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量反應(yīng)氣體流量，電加熱器給電池加溫和加濕后氣體保溫，背壓閥調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體出口壓力，電子負(fù)載測(cè)量燃料電池的電流和電壓。系統(tǒng)通過(guò)Labview來(lái)采集和儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)該系統(tǒng)可以設(shè)置和讀取燃料電池的電流、電壓、氣體流量、背壓、電池溫度、氣體加濕溫度等參數(shù)。燃料電池測(cè)試系統(tǒng)基本組成見(jiàn)圖1。

實(shí)驗(yàn)中采用有效面積為16cm2的PEM燃料電池，電池用Nafion112膜，催化劑鉑的載量為0.4mg/cm2，氣體擴(kuò)散層由多孔碳紙制成。MEA膜安裝在兩塊刻有蛇形流場(chǎng)的石墨板之間，兩塊石墨板外側(cè)夾裝兩塊鍍金銅板。實(shí)驗(yàn)中涉及的PEM燃料電池單體的幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

2實(shí)驗(yàn)步驟

為了準(zhǔn)確操作實(shí)驗(yàn)，并取得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)遵從一定的實(shí)驗(yàn)步驟。

實(shí)驗(yàn)中，為了確保每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)必須是在燃料電池系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定條件下進(jìn)行，因此必須選擇足夠長(zhǎng)的相鄰數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔。筆者通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，選擇了240s作為相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文的研究中共涉及三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)只改變其中一個(gè)操作參數(shù)，而其余操作參數(shù)都不變，以此來(lái)研究這個(gè)操作參數(shù)對(duì)PEM燃料電池性能的影響。

3.1背壓的影響

背壓pFC對(duì)PEM燃料電池的伏安特性、功率密度和電壓的影響見(jiàn)圖2(圖中J為電流密度；U為電壓；P為功率密度)、圖3。從圖2可以看出，當(dāng)背壓從0.1MPa增大到0.26MPa時(shí)，PEM燃料電池的伏安特性逐漸得到改善，功率密度也在進(jìn)一步升高。根據(jù)能斯特方程：

式中：PH2、PO2分別為組分氫、氧的分壓；$S為反應(yīng)的焓變；E0為標(biāo)準(zhǔn)可逆電動(dòng)勢(shì)。從式(1)可以看出，提高背壓能夠增大反應(yīng)氣體的分壓，提高燃料電池的電動(dòng)勢(shì)，有利于電池性能的提高。圖3顯示了在不同電流密度條件下，背壓對(duì)燃料電池電壓的影響。在電流密度較小時(shí)，背壓對(duì)燃料電池電壓的影響不太明顯。但是隨著電流密度的增大，背壓對(duì)電壓的影響日趨明顯。因?yàn)樵龃箅姵氐谋硥?，將顯著提高反應(yīng)氣體的傳遞速度，改善PEM燃料電池的性能。

3.2空氣流量的影響

空氣流量qair對(duì)PEM燃料電池伏安特性、功率密度和電壓的影響見(jiàn)圖4、圖5。圖4顯示，增大空氣的流量，PEM燃料電池的伏安特性和功率密度逐步提高。圖5顯示了不同電流密度下PEM燃料電池電壓隨空氣流量增加的變化情況。從圖中可以看出，隨著電流密度的增大，空氣流量對(duì)PEM燃料電池電壓的影響越來(lái)越明顯。這是因?yàn)?，加大空氣的流量，提高了陰極氣體通道中氧氣的平均濃度，加速氧氣在電池陰極中的傳遞。同時(shí)，空氣流量增大，可以帶走電池陰極中更多的液態(tài)水，增大氧氣的傳遞速度。

3.3氫氣流量的影響

氫氣流量qH2對(duì)PEM燃料電池伏安特性、功率密度和電壓的影響見(jiàn)圖6、圖7。圖6顯示氫氣流量從100mL/min增大到200mL/min，電池性能和功率密度有大幅度提高，而從200mL/min到500mL/min時(shí)，PEM燃料電池的伏安特性和功率密度幾乎不變。圖中還可以看出，當(dāng)氫氣流量為100mL/min和電流密度為0.82A/cm2時(shí)，電池電壓迅速下降。從圖7中看出，氫氣流量的增大對(duì)PEM燃料電池電壓的影響不太明顯。在氫氣流量為100mL/min時(shí)，隨著電流密度的增加，氫氣消耗增加，當(dāng)電流密度達(dá)到0.82A/cm2時(shí)，輸入的氫氣量和陽(yáng)極消耗的氫氣量相等，繼續(xù)增大電流密度，會(huì)導(dǎo)致電池電壓直線下降。

通過(guò)圖4和圖6可以看出：電池性能隨著空氣流量的增大一直提高。而增大氫氣流量時(shí)，電池性能先提高，當(dāng)氫氣流量達(dá)到一定值后，電池的性能幾乎不變。說(shuō)明電池的淹沒(méi)現(xiàn)象主要存在于陰極中，增大空氣流量時(shí)，空氣可以從陰極中帶出液體水，提高陰極的有效孔隙率，使電池性能持續(xù)得到提高。

4結(jié)論

(1)升高電池背壓，PEM燃料電池的性能能得到提高；

(2)實(shí)驗(yàn)條件下增大空氣流量，燃料電池的性能可持續(xù)升高；

(3)增大氫氣流量，電池的性能先提高，流量達(dá)到一定值后，性能幾乎不變，表明實(shí)驗(yàn)條件下，氫氣存在最佳值；

(4)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明電極淹沒(méi)現(xiàn)象主要出現(xiàn)在電池的陰極。其結(jié)果對(duì)優(yōu)化PEM燃料電池的反應(yīng)氣體流量和背壓、降低電池運(yùn)行成本具有積極意義。