质子交换膜燃料电池的性能

1、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

2、、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。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

3、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。5002020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

4、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。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

5、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TPEMFC的工作温度 不能高于80C，在0.40.5MPa压力下不能超过102C。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，

6、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】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。0.850 IQO 15，200250CO（体积分图3 CO含量对燃料电池性能的影响燃料气体的成分75% Ht+25 Ji98%73髀1土+器蛤CCh单位_L作电压W0. 60. Bfi51也31表1其他杂质对燃料电池性能的影响（电流密度1000mA / cm2）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