質(zhì)子交換膜燃料電池歐姆阻抗的試驗(yàn)研究

摘  要：為了解質(zhì)子交換膜燃料電(PEMFC)歐姆阻抗的影響因素，用斷電法測(cè)出了不同工作溫度、不同增濕條件、不同進(jìn)氣過量系數(shù)、不同工作壓力下的歐姆阻抗。試驗(yàn)結(jié)果表明，PEMFC歐姆阻抗隨工作溫度的提高而減小，隨進(jìn)氣濕度的增大而減小，受工作壓力和進(jìn)氣過量系數(shù)的影響較小。歐姆阻抗的明顯增大可作為PEMFC質(zhì)子交換膜變干的判定依據(jù)。合理控制工作溫度、進(jìn)氣濕度等參數(shù)，可以減少歐姆極化損失，提高PEMFC的工作效率。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；歐姆阻抗；斷電法

    極化曲線是燃料電池的基本特性曲線，Kim等提出半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)描述燃料電池的極化特性：

其中：b1lgI代表活化損失，m exp(n1)代表濃差損失，RΩI代表歐姆損失。通常燃料電池工作在中間電壓區(qū)域，此時(shí)歐姆損失是影響燃料電池性能的最主要因素。因此在燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型中，歐姆阻抗RΩ直接決定仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。典型的質(zhì)子交換膜
燃料電池(PEMFC)極化曲線如圖l所示。

    Verbrugge采用Nernst-Planck方程通過研究膜的電導(dǎo)率，計(jì)算RΩ；Zawodzinski等基于實(shí)驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯苛四ぶ兴�的擴(kuò)散系數(shù)隨膜中水含量和溫度的變化對(duì)膜電阻的影響;Jeferson等提出等效電路模型模擬了質(zhì)子交換膜燃料電池的動(dòng)態(tài)過程；莫志軍等提出廣義內(nèi)阻的概念并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量；郭建偉等用交流阻抗法研究了燃料電池的歐姆阻抗；Tuomas等用斷電法測(cè)得燃料電池堆的總歐姆極化和堆內(nèi)各個(gè)單電池的歐姆極化之和，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。這些研究未給出各種工作條件對(duì)RΩ的影響規(guī)律。本文將通過試驗(yàn)方法開展這方面的研究。

l 試驗(yàn)方法
    質(zhì)子交換膜歐姆阻抗測(cè)量裝置如圖2所示。燃料電池測(cè)試臺(tái)架分別控制燃料電池的工作溫度，陰極和陽(yáng)極的進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣露點(diǎn)溫度和進(jìn)氣流量。

    Buchi等人的研究結(jié)果表明，歐姆損失降低到初始值的1％，從斷電開始算起只需0．5 ns的時(shí)間，同時(shí)指出，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算，最快的電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間大致為10 ns左右。根據(jù)以上這些估計(jì)，電阻測(cè)量的時(shí)間窗口大致為斷電后的10 ns。但是因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)的誤差以及電感效應(yīng)等影響因素，在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)斷電過程用時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 ns，所以必須根據(jù)實(shí)際情況選取合適的測(cè)量時(shí)間和測(cè)量頻率。為區(qū)分出歐姆極化和其他極化，試驗(yàn)中應(yīng)該采取盡量高的采集頻率。試驗(yàn)中采用LMS公司SCADAS Ⅲ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為200 kHz。
    階躍法和斷電法都是測(cè)量燃料電池歐姆阻抗的常用方法。本試驗(yàn)采用斷電法進(jìn)行測(cè)量。先保持一個(gè)固定的電流In，再突然斷電，電壓變化的線性部分為△U，電流和電壓變化如圖3所示，則燃料電池的歐姆阻抗為

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
    試驗(yàn)用燃料電池堆由2片單電池組成，采用NafionR 112質(zhì)子交換膜，電池面積為154cm2。
    圖4是試驗(yàn)中采集到的斷電過程的電壓和電流信號(hào)(為標(biāo)注方便，t軸起始坐標(biāo)標(biāo)注為0)，與圖3相比，電壓信號(hào)在線性上升階段產(chǎn)生了一個(gè)局部最大值，然后在經(jīng)歷了一個(gè)振蕩過程后按照指數(shù)形式逐漸上升。此局部最大值是由燃料電池堆和負(fù)載線中的電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成的，因此應(yīng)該按照?qǐng)D4的方式判斷電壓信號(hào)在線性上升階段和指數(shù)上升階段的分界點(diǎn)Us。

    以下分別討論工作溫度、進(jìn)氣相對(duì)濕度、過量系數(shù)和工作壓力對(duì)歐姆阻抗的影響，為與其他試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將電池堆工作電壓以單片電壓u表示，將電池堆歐姆阻抗RΩ轉(zhuǎn)化為單片電池單位面積歐姆阻抗rΩ，將電流I轉(zhuǎn)化為電流密度J：

其中：n為電池片數(shù)，A為燃料電池單片面積。

2．1 工作溫度對(duì)歐姆阻抗的影響
    保持工作壓力為0．15 MPa絕對(duì)壓力不變，當(dāng)工作溫度由40℃提高到60℃時(shí)，燃料電池歐姆阻抗變化如圖5所示。同樣在進(jìn)氣飽和增濕條件下，隨著工作溫度的升高，進(jìn)入到燃料電池堆中的水蒸氣逐漸增多，質(zhì)子交換膜的潤(rùn)濕情況逐漸變好，極化曲線逐漸提高。
    小電流密度情況下，歐姆阻抗隨工作溫度變化較大，在O．1A／cm2的電流密度下，歐姆阻抗由60℃時(shí)的O．16Ω·cm2減小至40℃時(shí)的O．1 2 Ω·cm2。這是因?yàn)樵囼?yàn)中采用定空氣流量的控制方式，當(dāng)電流密度較小時(shí)，一定供氣流量的空氣過量系數(shù)較大，質(zhì)子交換膜容易被吹干。大電流密度條件下，歐姆阻抗隨工作溫度的變化較小，這是因?yàn)殡娏髅芏仍龃髸r(shí)，反應(yīng)生成水增多，空氣過量系數(shù)變小，不足以將膜吹干，質(zhì)子交換膜得到較好的潤(rùn)濕，歐姆阻抗的差異變小。

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