影响车用质子交换膜燃料电池性能的诸因素

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1、http://www.paper.edu.cn影响车用质子交换膜燃料电池性能的诸因素分析及试验研究王金龙王登峰陈静刘彬娜黄文雪吉林大学汽车工程学院，吉林长春（130025）E-mail：wjl19760819@163.com摘要：本文通过对质子交换膜燃料电池进行理论建模和试验，研究了影响其输出电压和效率的诸主要因素，分析了反应气体压力、电堆温度和增湿温度对燃料电池输出电压的影响，并通过燃料电池系统的性能试验验证了仿真结果的正确性。测试了燃料电池的高负荷持续工作的特性，测定了在三种反应气体压力下燃料电池的效率，分析了

2、燃料电池的输出功率与其效率之间的变化关系，讨论了燃料电池作为车用动力源时的能量效率，为车用质子交换膜燃料电池的使用与控制以便发挥其最佳性能提供参考。关键词：质子交换膜燃料电池，电压，效率，性能试验中图分类号：U469.721.引言随着汽车保有量的大幅度增加，能源消耗及环境污染问题日益突出。因此世界上许多国家都把开发高效、低污染甚至无污染的汽车作为主攻方向。由于燃料电池具有高效、低污染的特点，因此国内外均将其作为车用新型动力源的研究重点之一。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因具有比功率高、运行温度低

3、、排放与启动性能好等优点而备受关注。本文通过理论建模分析与试验，着重研究影响质子交换膜燃料电池性能的主要因素，为车用燃料电池更好地发挥其使用性能提供参考。2.PEMFC的性能影响因素分析2.1PEMFC的输出电压质子交换膜燃料电池属于氢/氧燃料电池，其标准电动势为1.229V。电池的可逆电动势E由Nernst方程可得：rppE=1.229−(8.5×10−4)(T−298.15)+(4.308×10−5)T(ln(H2)+1/2ln(O2))（1）r101325101325式中，T为反应的开氏温度，p是阳极侧氢的分

4、压力，p是阴极侧氧的分压力，单位均H2O2为Pa。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030183029）资助-1-http://www.paper.edu.cn可见，PEMFC的可逆电动势在温度不变时，随反应气压力的增加而提高；反应气压力不o变时，由于PEMFC工作于室温到100C之间，在此范围内，温度上升会使可逆电动势略有下降。电池在工作时，电极电位要偏离可逆电位，这种现象称为电极极化。偏离值越大，则极化越严重。电极极化主要包括电荷传递过电位（活化极化）η，欧姆过电位（欧姆极化）act[1

5、-3]η和浓差过电位（浓差极化）η三种。电池的输出电压可表示为：ohmconcV=E−η−η−η（2）Cellractohmconc[4,5]活化极化包括阳极和阴极的活化极化。阳极的活化极化如下式所示：ΔGRT0*RTη=+ln(4FAkc)−ln(i)（3）act,aaH22F2F2F其中，ΔG为反应的自由能变化(J/mol)，R为通用气体常数(JmolK),F为法拉第常20*数(C/mol),A为电池反应的有效面积(cm)，k为阳极固有速度系数(cm/s)，c为aH23阳极膜/气体界面溶于水的氢的浓度(mol/

6、cm)。i为电流强度(A)。[4,5]阴极活化极化如下式所示：ηRT0ΔG*(1−αc)*(1−αc)*αCact,c={ln[nFAkcexp(−)(cO2)(cH+)(cH2O)]−ln(i)}αFnRTc（4）0其中，n为反应转移的电子数，A为反应的有效面积，k为阴极固有速度系数(cm/s)，c***cO2、cH+和cH2O分别代表阴极膜/气体界面氧的浓度、氢离子（质子）浓度和水的浓度3(mol/cm)，α为传递系数。对于阴极和阳极的活化极化，当其它条件不变时，分别增大c反应的有效面积、提高反应温度、增大电流

7、会使活化极化现象加剧；反之则会降低活化极化的影响。电池的欧姆极化由电子在极板和电极传递的阻抗加上质子在膜中传递的阻抗组成，[4,5]这两部分阻抗构成了电池的内阻：electronicprotonelectronicprotonInternalη=η+η=−i(R+R)=−iR（5）ohmohmohmelectronic在工作温度范围内，电子传递的阻抗R基本不变，可以认为是一个常数。质子传proton递的阻抗R比较复杂，它既是水在膜中分布的函数，也受电池温度和电流强度以及电池参数的影响，可以表示为：rlprotonM

8、R=（6）A其中，l为质子交换膜的厚度，可见，减少膜的厚度和增加电池反应的有效面积A可使质子传递阻抗降低。r为含水质子流的固有阻抗系数，其经验表达式如下：M-2-http://www.paper.edu.cniT2i2.5181.6[1+0.03()+0.062()()]A303Ar=（7）MiT−303[λ−0.634−3()]exp(4.18[])AT式