质子交换膜燃料电池的工作特性与影响因素

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：反映质子交换膜燃料电池工作性能好坏的重要参数有工作电压、输出电流及输出功率等。图6-2-5质子交换膜燃料电池的电压、功率与输出电流之间的关系② 工作压力的影响。图6-2-6质子交换膜燃料电池的工作温度对其工作电压的影响图6-2-7燃料气中CO 对燃料电池性能的影响表6-2-1燃料气中CO2、N2 等气体对燃料电池性能的影响

反映质子交换膜燃料电池工作性能好坏的重要参数有工作电压、输出电流及输出功率等。在燃料电池工作过程中，影响其工作特性的因素主要有燃料电池电堆本身的技术状况、燃料电池的工作条件及燃料电池系统的水/热管理。

1.燃料电池电堆本身技术状况的影响

燃料电池电堆的技术状况对质子交换膜燃料电池工作性能起着关键的作用，而影响电堆性能的主要因素有以下几点。

① 膜电极的结构、制备方式和条件。

② 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。

③ 催化剂的含量和制备方法。

④ 双极板的结构和流场的结构与布置。

2.燃料电池工作条件的影响

① 工作电压、功率密度及能量效率与输出电流的关系，质子交换膜燃料电池的电压、功率与输出电流之间的关系如图6-2-5 所示。从图6-2-5 中可知，燃料电池的工作电压随着输出电流的增大而下降，但其功率却增大。由于燃料电池的效率主要与其工作电压有关，因此，当燃料电池电压高而能量效率高时，其功率却较低。最优化的燃料电池电堆设计，是使电堆在较大的输出电流时能有较高的电压，以使电堆既有高的功率输出，又有高的能量效率。对于电动汽车用燃料电池，要求其有高的功率密度和较低的成本。这在大电流输出的状态下才能实现。

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图6-2-5　质子交换膜燃料电池的电压、功率与输出电流之间的关系

② 工作压力的影响。H2 与空气压力的比值为0.3 MPa/0.3 MPa 时的工作电压及输出功率要高于0.1 MPa/0.1 MPa 时的工作电压及输出功率，如图6-2-5 所示。显然，质子交换膜燃料电池的反应气体的压力越高，其性能也就越好，阴极反应物（氧气或空气）的压力对燃料电池性能的影响尤为明显。为了减少氢气通过交换膜互相扩散，以避免产生氢氧混合物而引发危险，应尽可能减少膜两侧的压力差。

③ 工作温度的影响。质子交换膜燃料电池的工作温度对其工作电压的影响如图6-2-6所示。从图6-2-6 中可知，质子交换膜燃料电池的工作温度高时，在各种电流密度下的工作电压也高。这说明工作温度高时，燃料电池的输出功率也大，效率也有所提高。主要的原因是随着工作温度的升高，反应气体向催化剂层的扩散速度及质子从阳极向阴极的运动速度均有提高。当质子交换膜燃料电池工作时，其质子交换膜必须保持适当的湿润状态，以确保质子交换膜具有良好的质子传导性，这就需要反应生成的水应尽量为液态。因此，在常压下，质子交换膜燃料电池的工作温度不能超过80 ℃，在0.4 MPa～0.5 MPa 压力下的工作温度不能高于102℃。

④ 燃料气中杂质的影响。燃料气中的杂质主要有CO、CO2、N2 等。其中，CO 对燃料电池性能的影响极大，如图6-2-7 所示。燃料气中的CO2、N2 等气体对燃料电池性能的影响如表6-2-1 所示。

从表6-2-1 中可知，高含量的CO，对燃料电池性能的影响很大。这是因为在阳极的催化剂Pt 上吸附的H2 和CO2 互相作用会引起CO 中毒。

⑤ 空气对燃料电池的影响。从图6-2-6 中可看出，用空气作氧化剂时，燃料电池的工作电压下降了，并在低电流密度时出现了电压-电流线性区的偏离。这主要是由氮障碍层效应和空气中氧分压较低造成的。

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