影响车用质子交换膜燃料电池性能的诸因素

反应的有效面积、提高反应温度、增大电流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，
这两部分阻抗构成了电池的内阻[4,5]：
η η η ohm =
+ electronic
ohm
proton ohm
= −i(R electronic
巡检仪来检测各节电池的电压。由供气、排放以及增湿系统组成了测试平台，其工作流程图
如图 2 所示。
表 1 PEMFC 电堆的主要参数
额定功率
电池节数
Tab.1 Fundamental parameters of PEMFC stack
连接方式
电池反应面积
质子交换膜 80cm2
散、电催化反应动力学、质子传导等过程十分有利。因此，提高电堆温度可以使电池电压升
高，电池性能改善。从图 3 还可以看出，电堆温度从 40o C 提高到 60o C 时，电压的提高幅 度大于电堆温度从 60o C 增加到 80o C 的情况，在高电流密度下更加明显。提高反应气体的
压力，可加快电化学反应速率，对阴极产物水的排出也很有利，从而使电堆的输出电压明显
作为车用动力源的质子交换膜燃料电池，工作稳定是对其基本要求之一。选择在较高
负荷（工作电流为 100A）下，长时间运行电池，观察其电压变化情况，得到如图 6 所示的
电压输出特性。从图 6 中可以看出，燃料电池的输出电压随着时间的推移在平均值 3.933V
附近上下波动，最高电压为 3.97V,最低电压为 3.90V，上下波动幅度小于 1%，燃料电池在
=
RT nF
ln(1 −
J JL
)
（8）
式中， J 为电流密度值，即 J = i / A ， J L 为极限电流密度，是反应物在电极表面处的浓度
为零时所对应的最大电流密度。反应温度越高，电流密度越大，浓差极化过电压越大，电池
的输出电压越低。
2.2 影响 PEMFC 效率的因素
燃料电池的理想效率（热力学效率） ε i 可用燃料电池反应的标准生成吉布斯自由能与
标准生成焓变化的比值表示[1-3]，即
εi
=
ΔG ΔH
=1−
TΔS ΔH
（9）
其中， ΔS 为反应的熵变。在标准状态下，燃料电池理想效率为 83%，其值随温度的升高而
降低。
电池工作时，由于极化现象的影响，实际电动势要小于可逆电动势，其比值为电压效率
ε e ，即
εe
=
E Er
在低电流密度时，电压效率能达到 0.9 左右，并随电流密度的增加而降低。
增大如图 4 所示，当反应气压力从氢气 0.06MPa/空气 0.04MPa 提高到氢气 0.08Mpa/空气 0.06Mpa 时，电堆电压提高的幅度较大。图 5 表明电堆电压随增湿温度的提高而增加，则是 由于质子交换膜中的水含量随增湿温度的提高而增加，电导率提高所致。但若气体增湿过度，
电极中有液态水出现，则会影响电池性能，因此，气体的增湿要适度。对于本文的燃料电池
（6）
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。 rM 为含水质子流的固有阻抗系数，其经验表达式如下：
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181.6[1 + 0.03( i ) + 0.062( T )2 ( i )2.5 ]
) (1−αc
)
(c* H
+
) (1−αc
)
(c
* H
2O
)αC
]
−
ln(i)}
（4）
其中，
n
为反应转移的电子数，
A
为反应的有效面积，
k
0 c
为阴极固有速度系数(
cm
/
s
)，
c* O2
、
c* H+
和
c* H 2O
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
( mol / cm3 )，α c 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
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：U469.72
1. 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、排放与启动性能好等优点而备受关 注。
图 1 500W 质子交换膜燃料电池电堆 Fig1 500W PEMFC Stack
图 2 测试平台工作流程图 Fig2 Schematic diagram of testing platform
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3.2 仿真及试验结果分析
试验在室温（ 20o C ）条件下进行，相对湿度 30%，为防止阳极侧和阴极侧的反应气窜
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
2.1 PEMFC 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 Er 由 Nernst 方程可得：
（10）
除了理想效率和电压效率，反应物到生成物转化的不充分，有时由于反应物的扩散（窜
气）而使其直接反应，导致实际生成的电流小于按消耗反应物计算所生成的理论电流，其比
值为电流效率（法拉第效率）。
εf
=
I I theo
（11）
其中，I 为实际测得的电流，I theo 为理论期望的电流，即假定反应物全部消耗转化为电流时
rM
=
A
303 A
[λ − 0.634 − 3( i )]exp(4.18[T − 303])
A
T
（7）
式中， λ 是膜的水化系数，当气体的相对湿度达到 100%时为 22，其值主要受膜结构及其相
对湿度的影响。
在电流密度较大时，浓差极化成为影响电池电压的主要因素。浓差极化可表示为[1-3]：
η conc

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。
气发生危险，应保持两侧气体的压力差在一个较小范围内。试验时阳极比阴极气体压力高
0.02Mpa。试验使用的各常数及参数值为： R = 8.314J /(mol ⋅ K ) ， F = 96485C / mol ，
反应转移的电子数 n 在阳极为 2，阴极为 4，反应的自由能变化 ΔG = 237300J / mol ，传
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
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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
变时，由于 PEMFC 工作于室温到100o C 之间，在此范围内，温度上升会使可逆电动势略有
系统，其增湿温度可达 80o C ，但若长时间在此温度下增湿，气体通过增湿罐进入电池内部，
使得电池长时间工作于较高温度下并且增湿过度，则会影响电池的寿命及性能。综合考虑电
堆温度及增湿温度对性能和寿命的影响，最佳的电堆温度和增湿温度控制在 60o C 左右为
宜。本试验电池的石墨极板所能承受的最大电流密度为 500mA/cm2 左右，较大的电流密度 会破坏极板，烧毁电池。对于车用燃料电池堆的单电池，其工作电压为 0.7V 左右，电流密 度不超过 500mA/cm2，因此，被试燃料电池的性能特点与车用燃料电池相近，能够描述车 用燃料电池的特性。
方程得到的仿真曲线与实际试验测得的结果进行比较，如图 3、4、5 所示。
从图中可以看出，电流密度小于 450mA/cm2 时，根据电压方程得出的电压曲线与试验
数据吻合较好。在电流密度大于 450mA/cm2 时，由于反应传质受限的影响，电池性能下降
很快，曲线下降较为明显。在 PEMFC 工作温度范围内，温度升高，对反应物分子向电极扩
高负荷放电时输出性能表现稳定。
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递系数α c = 1/ 2 。活化极化部分的式（3）和式（4）合并，由文献[5]给出的结果，表达式
k
0 c
exp(c
* H
+
) (c ) (1−αc )
*
αC
H 2O
(k
0 a
)
0.285
的取值范围从
61.7
到
76.5，取平均值进行计算。极限
电流密度为 J L = 1.5A / cm2 。通过改变电堆温度、反应气体压力、反应气增湿温度，根据
),
A
为电池反应的有效面积(
cm 2
)，
k
0 a
为阳极固有速度系数(
cm
/
s
)，
c