加濕溫度對燃料電池性能影響的實驗研究

王世學，齊 賀

（1.天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072；2.天津大學 機械工程學院，天津300072）

質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種能量轉換裝置，將氫氣與氧氣的化學能轉換為電能，具有清潔、高效、可靠的特點，因此在交通運輸、便攜設備、固定發電等應用領域極具競爭力.近年來，隨著能源與環境問題越來越突出，著眼于提高PEMFC性能、降低生產與運行方面成本的研究越來越多［1-2］.

在PEMFC工作過程中，除了產生直流電外，還會相應地產生水和熱量.研究表明，PEMFC 的性能與質子交換膜的質子傳導率密切相關，質子傳導率依賴于質子交換膜內水的含量，不合理的水熱管理將導致質子交換膜干涸或者水淹［3］.

操作參數是影響PEMFC性能和穩定性的重要因素之一，也是水熱管理的主要研究內容.迄今為止，許多學者研究了操作參數如電池工作溫度，操作壓力，加濕溫度等對性能的影響［4-5］，特別是加濕溫度對燃料電池性能的影響［6-7］.丁剛強等［8-11］認為氫氣加濕溫度對燃料電池性能的影響較重要，而陰極側空氣的加濕對性能的影響很小.Lin 等［12-16］認為陰極側空氣的加濕對燃料電池性能穩定性方面起到重要的作用，如果陰極加濕充分，陽極氫氣的加濕對性能影響很小.綜上所述，由于各學者實驗條件的不同，所得出的氣體加濕溫度對性能影響的結論也不同，本文將使用在上述文獻中沒有使用過的質子交換膜Nafion 212，并結合陰陽極流場入口壓力，探討陰極加濕溫度和陽極加濕溫度對燃料電池性能的不同影響.

1 實驗裝置及方法

1.1 單電池結構

實驗中所用單電池由膜電極（MEA），2塊石墨流場板，2塊絕緣板和2塊端板構成.石墨流場板規格為90mm×90mm×20mm，膜電極有效面積為25cm2（50 mm×50 mm），膜電極的質子交換膜采用Nafion 212，催化劑鉑（Pt）用量是0.4mg／cm2，擴散層采用的是TGH-H-060碳紙.如圖1 所示為石墨流場板，實驗用燃料電池陰陽極皆采用單蛇形流道，流道寬1mm，深1mm，脊寬1mm.

圖1 石墨流場板Fig.1 Graphite flow field plate

實驗用單電池沒有外部控溫措施，因此電池溫度會隨著反應時間而變化.燃料電池溫度通過插在測溫孔內的熱電偶進行測量，測溫孔位置及深度如圖1所示.因為在電池內部流場區域內的溫度分布很均勻［17］，因此，本實驗中只測一點溫度并視其為平均電池溫度.

1.2 質子交換膜燃料電池測試系統

如圖2所示為燃料電池測試系統，由寧波拜特測控技術有限公司制造.該測試系統可以控制氣體流量（精度：1%滿量程）、加濕溫度（精度±2 ℃）和燃料電池背壓（精度：1%滿量程），所有操作均由電腦終端實施完成.在氣體進入測試系統后，先進入水箱，通過控制水箱內水的溫度來調節氣體的加濕溫度.為避免加濕氣體在通往電池的管道中發生冷凝，管道周圍裝有加熱保溫帶，其可以控制2個溫度：露點溫度（θDew）和進氣溫度（θin），實驗中這2個溫度應設置成略高于水箱內水的溫度.對連接測試設備和單電池的管路實施保溫，盡量避免加濕氣在管道內冷凝.測試系統電子負載為100 W.

圖2 燃料電池測試系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

1.3 實驗條件及步驟

燃料電池恒流放電，放電電流密度為0.8 A／cm2，氫氣（鋼瓶氣）流量為4cm3／s，空氣（鋼瓶氣）流量為12.67cm3／s，氫氣與空氣的計量比分別是1.5和2.燃料電池背壓設置為0，反應氣體均在相應加濕溫度下飽和加濕，即相對濕度為100%，不加濕時認為相對濕度是0，加濕溫度的具體數值詳見結果與討論部分.

實驗步驟如下：

1）實驗之前，對PEMFC進行氮吹掃3min

2）設置各參數：氣體流量、加濕溫度、露點溫度、進氣溫度、和背壓，為避免加濕氣體在管道內冷凝，露點溫度比加濕溫度高1 ℃，進氣溫度比露點溫度高1 ℃.

3）當以上參數達到要求值時，設置電子負載，設置電流密度為0.8A／cm2.

4）記錄參數：電壓、電池溫度、陰陽極進口壓力，在實驗過程中，記錄每2個數據點的時間間隔為1s.

2 結果和討論

圖3 電壓，陰極入口壓力，陽極入口壓力，電池溫度隨反應時間的變化（陰陽極加濕溫度均為40 ℃）Fig.3 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air and hydrogen is humidified at 40 ℃）

圖4 電池溫度隨反應時間的變化（陰陽極加濕溫度均為40 ℃）Fig.4 Variations in cell temperatures（air and hydrogen is humidified at 40 ℃）

圖5 電壓，陰極入口壓力，陽極入口壓力，電池溫度隨反應時間的變化（陽極與陰極加濕溫度均為60℃）Fig.5 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air and hydrogen is humidified at 60 ℃）

如圖3、4、5所示分別為氣體加濕溫度為40℃、60 ℃（相對濕度為100%）的實驗結果（空氣與氫氣加濕溫度相同）.圖中，U 為電池電壓，pc為陰極入口壓力，pa為陰極入口壓力，θ 為電池溫度，t為時間.電池在較高電流密度區放電時，會放出大量的熱，從而使電池的溫度升高.溫度的提升一方面會提高電化學反應速率，另一方面也會影響膜電極內的水平衡.當加濕溫度為40 ℃時，電池電壓最終下降為0，由于加濕不充分，膜電極的干涸導致膜電阻增大，致使電壓的持續下降.因此，在圖4中，電池溫度在整個運行過程中并沒有穩定，而是持續上升.陰極壓差比陽極壓差高的原因是：空氣的黏度高于氫氣，空氣的流量高于氫氣，電化學反應產物水在陰極產生.流道中的液態水是影響流道內壓力大小的因素之一，因此流場內壓力（特別是陰極壓力）可以作為判斷流場內液態水狀況的手段［18-21］.圖3中陰極壓力pc逐漸降低，陰極流道內液態水含量較少，電壓的波動與陰極壓力的波動具有正相關關系，即陰極壓力曲線上，在3 000s之后出現的波動，同時在電壓曲線上也出現了相同趨勢的波動，這意味著膜電極處于干燥的狀態，液態水的出現有益于性能的提高.在圖5中，陰陽極的加濕溫度比圖3中高，陰極壓力雖有波動，但基本穩定在21kPa左右，電壓輸出較穩定.

圖6 電壓，陰極入口壓力，陽極入口壓力，電池溫度隨反應時間的變化（陽極加濕溫度：60 ℃，陰極加濕溫 度：40 ℃）Fig.6 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is humidified at 40 ℃，and hydrogen is humidified at 60 ℃）

圖7 電壓，陰極入口壓力，陽極入口壓力，電池溫度隨反應時間的變化（陽極加濕溫度：40 ℃，陰極加濕溫 度：60 ℃）Fig.7 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is humidified at 60 ℃，and hydrogen is humidified at 40 ℃）

如圖6、7所示分別為氫氣與空氣具有不同加濕溫度時的實驗結果.圖6 中氫氣的加濕溫度為60℃，空氣的加濕溫度為40℃，與圖3相比，陽極加濕溫度的提高雖然使電池能夠持續放電，即沒有出現電壓降為0的情況，但是電壓輸出很不穩定，同時陰極壓力的波動與電壓的波動類似.圖7中氫氣加濕溫度為40 ℃，空氣加濕溫度為60 ℃，與圖3、圖6相比，空氣加濕溫度由40℃提高到60℃，對提高燃料電池性能及電壓輸出的穩定性具有明顯效果.由于空氣加濕溫度的提高，帶入陰極的水分變多，使得圖7中陰極壓力較圖3，圖6中穩定.從圖3到7可以看出，通過改變空氣的加濕溫度，陰極流道內的液態水狀況發生改變，陰極壓力的高低與穩定性也將受到影響.通過對比電池溫度可以看出，在電壓輸出穩定的結果中，電池溫度變化曲線也比較平滑.

如圖8所示為當氫氣不加濕（流量4cm3／s），空氣加濕溫度為60 ℃（流量12.67cm3／s）的實驗結果.如圖9所示為空氣不加濕（流量12.67cm3／s），氫氣加濕溫度60 ℃（流量12.67cm3／s）的實驗結果.圖8中由于氫氣沒有加濕，電壓值較低，在300到350mV 內波動，但是電壓輸出比較穩定，在此驗證了陰極空氣的加濕對電壓輸出穩定性的重要，氫氣在不加濕的情況下，燃料電池可以穩定發電，雖然電壓值不高.圖9中氫氣流量升高到與空氣流量相同，都為12.67cm3／s，但是空氣不加濕，所得到的電壓曲線波動比較劇烈.因此，在本研究中所使用的流量范圍內，相同流量相同加濕溫度的氫氣與空氣，空氣在提高燃料電池性能和穩定性方面所起到的作用更明顯.

圖8 電壓，陰極入口壓力，陽極入口壓力，電池溫度隨反應時間的變化（陽極加濕溫度：不加濕，陰極加濕 溫 度：60 ℃）Fig.8 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is humidified at 60 ℃，and hydrogen is dry）

3 結 語

圖9 電壓，陰極入口壓力，陽極入口壓力，電池溫度隨反應時間的變化（陽極加濕溫度：60 ℃，陰極加濕溫度：不加濕）Fig.9 Variations in voltage，cathode inlet pressure，anode inlet pressure and cell temperatures（air is dry，and hydrogen is humidified at 60 ℃）

本文探討了PEMFC不同加濕溫度的陰陽極氣體對性能的影響，得到了PEMFC 單體在不同加濕溫度條件下從啟動到穩定階段電壓、陰陽極壓力、電池溫度隨運行時間的變化曲線，重點分析了穩定階段各參數間的關系.實驗結果表明，在氫氣計量比為1.5，空氣計量比為2的情況下，氫氣與空氣的加濕對燃料電池性能的提升都是必要的，空氣的加濕溫度對保證燃料電池性能輸出穩定性方面具有更大的作用，空氣加濕溫度的高低影響了陰極流道內液態水的狀況，從而影響電壓輸出的穩定性.將氫氣流量提高到與空氣相同水平，氫氣加濕溫度對性能的影響不如空氣加濕溫度對性能穩定性的影響大.

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