PEM燃料電池的伏安特性及其影響因素

周宇

摘要：本文主要分析了PEM燃料電池伏安特性及其影響因素的相關問題，整個研究通過實驗分析的方式開展，通過實驗研究，對PEM燃料電視的伏安特性及其影響因素進行分析。從本次研究結果可知，加熱溫度、氮氫氣等都會對PEM燃料電池的特性產生影響，應該得到相關人員的重視。

關鍵詞：PEM燃料電池；伏安特性；影響因素

相關研究指出，電池溫度及其加濕溫度已經成為影響PEM燃料電池性能的重要因素[1]，目前學術界普遍認可：燃料電池的操作溫度、濕度等流量的變化都有可能影響電池，因此為了進一步提高電池性能，必須要進一步討論這些參數對電池所產生的具體影響，才能進一步加深對PEM燃料電池的認識，為強化PEM燃料電池性能奠定基礎。

1 實驗介紹

1.1 實驗系統

在本次實驗研究中，采用Fuel Cell Tehnilogies制造的測試系統進行研究，用來判斷PEM燃料電池的基本性能，該系統能夠有效測量PEM燃料電池的極化曲線、功率變化密度等基本審計局。通過調節Agilent的N3300A型電子負載能獲得燃料電池的伏安的響應變化曲線。系統依靠Labview采集、收集存儲各種實驗數據，整個系統能夠設置、讀取PEM燃料電池的電流、電壓電池溫度等基本數據變化。

實驗過程中的氣體擴散層是通過碳紙制成，在擴散層的內側附有非常薄的碳層。將MEA膜安裝在兩塊石墨板之間，并分別在兩塊石墨板之間外架兩個鍍金銅板。

1.2 實驗過程

本次實驗過程如下：

（1）實驗前使用氮氣充分吹掃陰陽兩極套管，保證實驗安全；

（2）打開燃料電池測量系統電源，開啟氫氣瓶閥門；

（3）根據實驗要求設置相應的參數，包括反應氣體流量、電池加熱溫度、背壓等；

（4）為了能夠有效的監督電池實驗的結果，在實驗界面上設置實驗數據顯示設備，用來記錄PEM燃料電池極化實驗中不同工況下的相鄰數值電壓差異；

（5）本次試驗中，軟件界面能夠隨時記錄燃料電池的伏安特性變化規律，并且會在特定的時間下記錄數據變化情況；

（6）通過計算機系統獲取本次實驗的信息資料，保證信息可靠性。

為了保證整個實驗數據都是在燃料電池系統處于穩定狀態下完成的，因此整個實驗過程所需要的實驗時間很長，以240s作為相鄰兩個數據的記錄時間間隔。

2 實驗結果分析

2.1 燃料電池加熱溫度的影響

本次試驗結果顯示，加熱溫度會直接影響PEM燃料電池的伏安特性，隨著溫度的增加（尤其是加熱溫度從50℃上升到70℃時），電池溫度的升高會直接影響PEM燃料電池的伏安特性，兩者之間呈現出正比例關系；而當溫度從70℃上升到90℃時，PEM燃料電池的伏安特性出現了下降，兩者之間出現反比例關系。該結果說明，如果電池溫度小于加濕溫度，則PEM燃料電池的性能與加熱溫度之間就會保持正比例關系，加熱溫度的升高有助于改善電池性能。而當電池的加熱溫度高于加熱溫度時，PEM燃料電池的性能會受到影響，出現數值水平降低的現象。

除此之外，文獻[23]也通過研究認為，電池加熱溫度小于70℃時，PEM燃料電池的電壓會隨著電池的溫度變化而變化，兩者之間呈正比例關系；而當電池的加熱溫度超過70℃后，電壓會將其，尤其是在高電流密度條件下，這種變化就變得更加明顯。這是因為PEM燃料電池的溫度變化具有化學反應的特點，當電池的溫度升高之后，電池內部的電化學反應速度將會明顯加快，這一現象有助于強化交換電流水平，使電池性能達到預期。同時，燃料電池溫度的上升也會強化反應物與生成物之間的傳遞速率，這種現象也有助于提高電池性能。當電池的加熱溫度超過70℃后，PEM燃料電池的性能會受到質子膜成分阻抗控制，此時質子膜會因為電池溫度過高而產生脫水現象，降低了質子傳感率，增大了阻抗性能，最終影響PEM燃料電池性能。

2.2 氫氣加濕溫度的影響

在本次實驗中發現，氫氣加濕溫度也會影響PEM燃料電池伏安特性，當氫氣加濕溫度從50℃上升到70℃后，會發現隨著溫度的升高，PEM電池的性能也不斷改善；但是當溫度超過70℃后，電流密度小于1.0A/cm2，電池性能基本上沒有變化，而當電流密度超過1.0A/cm2時，電池的伏安特性反而出現下降的趨勢。導致出現這一現象的主要原因為：受加濕溫度下降的影響，氫氣攜帶水分的能力下降，最終無法將足夠的水分帶入到陽極催化層中，導致質子膜的阻抗能力上升，而質子膜阻抗是影響PEM燃料電池性能的重要因素，因此兩者之間存在聯系。隨著氫氣加濕溫度水平升高，該氣體所攜帶的水分不斷增加，這樣有助于降低陽極催化層的阻抗水平，最終提高電池性能；而如果氫氣加濕溫度水平國道，氫氣所攜帶的水分明顯超過質子在質子膜遷移過程中需要的水分，最終導致電極多空介質中出現富余寫太水，不利于保證內部氣體擴散[4]。

3 結論

在本次研究中，共得出以下結論：

（1）如果反應氣體加濕溫度的水平明顯高于電池所需要的加熱溫度，通過調整電池溫度就能有效強化PEM燃料電池性能，并且當加熱溫度高于反應氣體的加濕溫度后，其溫度回評大于電池加熱溫度，PEM燃料電池的性能將會出現下降。

（2）氫氣的作用機制不同，當其加濕溫度明顯低于加熱溫度時，隨著加濕溫度的升高，電池的性能也會得到改善；相反，當加濕溫度高于加熱溫度后，加濕溫度的增加反而會降低電池性能。

（3）本次實驗發現，PEM燃料電池的加濕溫度與電池溫度的臨界點溫度都是70℃，該結果提示：在未來的實驗研究中，當溫度水平接近70℃時必須要全面觀察PEM燃料電池的性能變化情況，才能保證實驗質量。

參考文獻：

[1]陳士忠，王藝澄，于東旭，等.基于溫度條件下PEM燃料電池的動態特性[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2016，32（03）：506511.

[2]夏發銀，陳玉，賓洋.基于SIMULINK的PEM燃料電池系統模型建立及其仿真分析[J].宿州學院學報，2016，31（01）：102105.

[3]黃維娜.多層PEM燃料電池催化層反應效率的優化研究[D].電子科技大學，2015.

[4]徐臘梅.PEM燃料電池動態特性的建模與仿真研究[D].武漢理工大學，2007.