孫佳1，郭樺2，陳士忠1，3，吳玉厚1

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理系，遼寧沈陽(yáng)110034；3.大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，遼寧大連116024)

摘要：目的研究質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行中的電池溫度、兩極加濕溫度對(duì)電池性能的影響。方法運(yùn)用質(zhì)子交換膜電池單體的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了不同工作溫度、氣體加濕溫度對(duì)電池性能影響的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果得到了3個(gè)溫度在實(shí)驗(yàn)條件下，在一定范圍、一定間隔內(nèi)的所有數(shù)據(jù)組合。結(jié)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(yáng)極的加濕溫度對(duì)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(guān)；電池的極化曲線中存在兩個(gè)過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)是在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

對(duì)質(zhì)子交換膜(PEM)的研究和應(yīng)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(zhì)子交換膜的研究領(lǐng)域，關(guān)于模型方面的研究，已經(jīng)分別建立了二維、三維等數(shù)學(xué)模型，并且在理論方面獲得了令人滿意的模擬結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)方面，衣寶廉等人從膜組成、電池的結(jié)果等方面對(duì)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(duì)PEM燃料電池伏安特性和功率密度的影響。

WangLin等人對(duì)PEM燃料電池進(jìn)行了參數(shù)實(shí)驗(yàn)，得到了不同參數(shù)下的電池性能變化趨勢(shì)。但對(duì)電池操作條件間的相互關(guān)系及對(duì)電池性能的影響還未見報(bào)道。同時(shí)，日趨商業(yè)化的質(zhì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣的一套系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以加速新型燃料電池的開發(fā)和優(yōu)化，還可以指導(dǎo)商業(yè)化PEM燃料電池的操作?；谏鲜瞿康?，筆者對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池單體在不同的操作溫度下進(jìn)行了系統(tǒng)化測(cè)試，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得到了3個(gè)影響溫度之間可能存在的內(nèi)在關(guān)系。并通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算方法對(duì)溫度之間的關(guān)系進(jìn)行了更深入的探索。

1實(shí)驗(yàn)裝置

燃料電池測(cè)試系統(tǒng)是采用美國(guó)電化學(xué)公司生產(chǎn)的MTS150型質(zhì)子交換膜燃料電池單體測(cè)試儀。該設(shè)備可以完成對(duì)電池工作溫度、氣體加濕溫度、反應(yīng)壓力及氣體流量的控制過(guò)程。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。表1為實(shí)驗(yàn)測(cè)試PEM燃料電池單體的基本幾何參數(shù)，電池中質(zhì)子交換膜采用Nafion112質(zhì)子交換膜，其厚度為0.051mm。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1溫度影響的實(shí)驗(yàn)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(yáng)極氣體的加濕溫度。

3個(gè)溫度同時(shí)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(guān)系到膜的傳導(dǎo)率，而提高膜的傳導(dǎo)率是改善PEM燃料電池性能的重要途徑。并且3個(gè)溫度之間也存在著相互改善和制約的關(guān)系。所以筆者特別地將燃料電池的3個(gè)溫度作為一個(gè)整體進(jìn)行了測(cè)試和分析。所有實(shí)驗(yàn)中除溫度外其他操作參數(shù)均為定值：氫氣質(zhì)量流量是600cm3/min，實(shí)驗(yàn)所用的氧化劑為氧氣其質(zhì)量流量為200cm3/min，反應(yīng)氣體的背壓為0.1MPa。

2.1.1加濕溫度對(duì)電池性能的影響

研究不同電池溫度下，電池性能與反應(yīng)氣體加濕溫度的關(guān)系。電池溫度在323．15~353.15K間變化，每次變化10K。每組數(shù)據(jù)是在保持電池設(shè)定溫度不變，同時(shí)使陰極和陽(yáng)極的加濕溫度在313.15K~363.15K范圍內(nèi)變化，每次升高10K，在兩側(cè)電極加濕溫度變化之后，電池性能趨于穩(wěn)定時(shí)開始數(shù)據(jù)記錄，而且，通過(guò)改變電池的工作電壓來(lái)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jù)整體來(lái)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(zhì)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(dāng)?shù)乃植伎梢燥@著的提高電池的性能。同時(shí)在低溫型PEM燃料電池中，電化學(xué)熱力學(xué)和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)共同作用條件下，動(dòng)力學(xué)因素起主導(dǎo)作用的結(jié)果。圖2中，各圖對(duì)比得出電池溫度升高，電池性能是先升高后下降的趨勢(shì)，343.15K是變化的頂點(diǎn)。在電池溫度較高條件下，加濕溫度的升高將不會(huì)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(shí)從4幅圖中還可以發(fā)現(xiàn)在每一幅圖中都會(huì)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(rèn)為是在3種狀態(tài)(干枯態(tài)、飽和態(tài)、淹沒態(tài))的過(guò)渡范圍內(nèi)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(zhuǎn)。而在加濕溫度過(guò)高的時(shí)候，則會(huì)出現(xiàn)二類臨界線來(lái)控制膜含水量由飽和到淹沒的過(guò)渡。

2.1.2氧氣加濕溫度對(duì)電池性能的影響

5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yáng)極加濕溫度在323.15K~363.15K變化，每次升高10K。同樣是通過(guò)電子負(fù)載改變電池的工作電壓來(lái)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(guò)程中電池的最好狀態(tài)均出現(xiàn)在電池和陽(yáng)極加濕溫度最低條件下。這是由于陰極氧氣的質(zhì)量流量比較小，加濕溫度對(duì)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(jù)中除陰極加濕溫度為323.15K時(shí)是整體動(dòng)蕩過(guò)程外(變化趨勢(shì)為先高后低，再高再低的過(guò)程)，其他數(shù)據(jù)均存在著一類臨界曲線。

2.1.3氫氣加濕溫度對(duì)電池性能的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)是在電池陽(yáng)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(cè)得的。每組是將電池溫度和陽(yáng)極的加濕溫度在323.15K~363.15K內(nèi)變化，變化梯度為10K。在3個(gè)溫度的各個(gè)配合下，通過(guò)改變電池工作電壓，再對(duì)電流的變化進(jìn)行記錄作為實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

當(dāng)陽(yáng)極加濕溫度為323.15K與333.15K時(shí)，陽(yáng)極一側(cè)的膜沒能達(dá)到完全飽和。因此電池性能會(huì)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(dāng)陽(yáng)極加濕溫度繼續(xù)升高使膜在陽(yáng)極一側(cè)的含水量得到改善，進(jìn)而使性能得到了提高，如圖4(c)(d)(e)所示。圖4中隨陽(yáng)極加濕溫度的升高電池性能變化不明顯，這與電池陽(yáng)極氣體流量較大有關(guān)。圖4中出現(xiàn)了明顯的過(guò)渡區(qū)，并且隨陽(yáng)極加濕溫度的升高在向下移動(dòng)。

電池的3個(gè)控制溫度對(duì)電池性能的影響順序受許多因素影響，如兩個(gè)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(gè)影響順序也是固定的。從圖2、3、4中可以看出當(dāng)3個(gè)溫度分別變化時(shí)對(duì)電池性能影響的先后順序?yàn)殛帢O加濕溫度，陽(yáng)極加濕溫度，電池工作溫度。

2.2溫度影響的理論分析

通過(guò)掌握和控制3個(gè)溫度的相互關(guān)系，使電池內(nèi)工作的水環(huán)境得到改善和提高，對(duì)實(shí)現(xiàn)燃料電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要意義。下面通過(guò)理論方法研究陰極加濕溫度對(duì)陰極水狀態(tài)的影響。

2.2.1溫度對(duì)電池中水的影響

假設(shè)：瞬時(shí)排出電池的氣體中不攜帶液態(tài)水。首先，通過(guò)對(duì)電池幾何參數(shù)的計(jì)算可得到了電池單側(cè)氣體流道的總體積為

2.2.2溫度的相互影響

通過(guò)計(jì)算出的結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪出3個(gè)溫度的相互關(guān)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(duì)電池在實(shí)際應(yīng)用中的操作給出了參考性指導(dǎo)。

3結(jié)論

(1)操作條件固定，3個(gè)溫度對(duì)電池性能的影響程度的順序也是固定的，本實(shí)驗(yàn)的影響順序?yàn)殛帢O加濕溫度，陽(yáng)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(dòng)力學(xué)特性是由電化學(xué)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(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)有關(guān)。

(3)在改變操作參數(shù)時(shí)，在特定的變化范圍內(nèi)會(huì)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(gè)臨界狀態(tài)。

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