质子交换膜燃料电池的性能

质子交换膜燃料电池的性能

【陆地方舟电动汽车网】影响PEMFC工作性能的因素主要来自三个方面：一是电堆的技术状况；二是燃料电池的工作条件；三是整个燃料电池系统的水管理和热管理。

与电堆本身相关的影响PEMFC工作性能的因素有：膜电极的结构、制备方式和条件：质子交换膜的类型、厚度、预处理情况、传导质子的能力、机械强度、化学和热稳定性能：催化剂的含量和制备方法；双极板的结构和流场设计等。

与燃料电池的工作条件相关的，影响PEMFC工作性能的因素有电流密度、工作电压、反应气体压力、工作温度、气体组成等。质子交换膜燃料电池因采用较薄的固体聚合物膜作电解质而具有非常好的放电性能，通过优化反应气体压力、工作温度和气体组成等条件，可以使质子交换膜燃料电池的性能维持在较高的水平。

①电流密度、工作电压和功率特性图1是1kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性。从图中可见，当电流增大，即电流密度增大时，工作电压随之下降，而功率增大。当电流增至100A时，相当于电流密度为500mA／cm2，达到设计的最高功率1.2kW，等同功率密度0.3W／cm2。而燃料电池的效率主要与工作电压有关，当燃料电池工作电压高时，能量效率高，由以上分析可知此时功率却低。因此，设计的燃料电池既想获得最高效率又想获得最大功率只是一种“理想”，只能通过对电堆进行最优化设计，达到在一定的电流密度下获得较高的工作电压，既得到较高功率又得到较高能量效率。一般来说，燃料电池的设计是依据最终的应用要求来决定是获得高功率还是获得高效率。例如，燃料电池电动汽车用的PEMFC，要求高功率密度和低成本，这只有在大电流密度下工作才能实现，而此时工作电压必然下降，能量效率就要低些；而对于地面固定发电站，要求高的能量效率和长寿命，这只有在高工作电压下才能实现，而此时电流密度必然降低，功率就要有所下降。

图1 1kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性

H2／空气的压力为0.3MPa/0.3MPa；

H2／空气的压力为0.1MPa/0.1MPa

②反应气体工作压力的影响质子交换膜燃料电池的工作性能与反应气体的体积分数有关，而体积分数又与气体压力有关。工作气体压力的提高能够增加质子交换膜燃料电池的电动势，还会降低质子交换膜燃料电池的电化学极化和浓度极化。不过反应气体压力的提高也会增加PEMFC系统的能耗。但总而言之气体压力越高，燃料电池性能越好，尤其是阴极的反应物，即氧气或空气的压力对电池性能的影响更大。正如图1所示的那样，当H2／空气的压力为0.3MPa/0.3MPa时的性能就优于H2／空气的压力为0.1MPa/0.1MPa的。同时为

了减少氢气和氧气通过交换膜相互扩散，避免氢氧混合物引起危险，又应尽可能减少膜两侧的压力差。

③工作温度特性工作温度对质子交换膜燃料电池性能有明显影响（PEMFC的温度特性主要与质子交换膜有关。温度升高，质子交换膜传质和电化学反应速度随之提高，电解质的欧姆电阻下降，温度升高还有利于缓解催化剂中毒问题。但是温度过高，会造成质子交换膜脱水导致质子电导率降低，质子交换膜的稳定性也会降低，可能发生分解。并且，PEMFC 的工作温度还是受限制的。为保证质子交换膜具有良好的质子传导性，保持其适当的湿润条件是必需的，所以反应生成的水应尽量为液态水。受此限制，在常压下PEMFC的工作温度不能高于80℃，在0.4～0.5MPa压力下不能超过102℃。工作温度对燃料电池性能的影响如图2所示，电压-电流密度曲线线性区斜率绝对值随着温度的升高而降低，这说明电池内阻减小，此时在相同的电流密度下，工作电压升高，燃料电池的功率增大，效率也有所提高。这主要是因为在限定温度范围内，工作温度高，会加快反应气体向催化剂层扩散，质子从阳极向阴极的运动也会加快，这些都积极地促进了电池性能的提高。

图2 PEMFC的温度特性

【陆地方舟电动汽车网】④反应气体中杂质的影响反应气体中的杂质也是影响质子交换膜燃料电池性能的重要因素。燃料气体中的杂质主要有CO、C02、N2等。燃料的重整气中通常都会含有少量的C0，CO对质子交换膜燃料电池的阳极催化剂有严重毒化作用图3表达了CO含量对燃料电池性能的影响。因此，为确保质子交换膜燃料电池的稳定运行，要通过各种净化方式降低燃料气中的CO含量。表1表达了燃料气体中其他杂质对燃料电池性能的影响。从表中可以看出当C02的含量高时对燃料电池性能影响很大。这主要是因为吸附在阳极催化剂Pt上的H2和C02相互作用引起CO中毒所致。

图3 CO含量对燃料电池性能的影响

表1 其他杂质对燃料电池性能的影响（电流密度1000mA／cm2）

⑤纯02和空气对燃料电池性能的影响分别用纯02和空气作为氧化剂时，燃料电池的性能表现也是不一样的。图2还表达了用纯02和空气作为氧化剂时燃料电池的电压-电流曲线。从图中可以看出，用空气作为氧化剂时，燃料电池的性能大幅下降，并在低电流密度时出现电压-电流线性区的偏离，这种偏离主要是因为“氮障碍层效应”和空气中氧分压较低造成的。