PEMFC单体电压一致性的影响因素简介

2022-11-26 来源：小郑的燃料电池笔记浏览数：236

车用燃料电池耐久性是制约其商业化的主要技术挑战之一。现有研究表明，车辆动态工况是引起车载燃料电池寿命降低的最主要原因之一。由于在动态工况下，燃料电池单体电池性能及电压之间存在严重的不一致特性，甚至出现反极化现象。若单体性能差异过大，电堆的性能会受状态最差的单体所制约，存在木桶效应，影响整个电堆的稳定性和寿命。局部单体电压过低，电化学衰退加快，将导致局部电流密度过高，引起局部出现“热点”，导致电池永久损坏甚至引发安全问题。因此，燃料电池单体电压一致性是反映燃料电池运行性能和寿命的重要指标，在车载燃料电池领域

1. 燃料电池堆单片电压一致性的评价方法

单片电压一致性好，电堆性能及稳定性较好。单片电压一致性差将导致局部电流过高，容易出现热点，甚至出现反极现象，导致电堆失效。

目前对于燃料电池单片电压一致性的评价方法较多，主要有四种方法，分别是单体电压波动率、单体电压变化的均方根值、单电池电压变化的幅度值和图形法，其中应用最为广泛的是单电池波动率，图形法能够直观和形象地反应燃料电池堆单电池一致性情况。

A：单电池波动率就是单电池电压的相对标准偏差，其公式如式(1)。单电池电压波动率越大，燃料电池一致性越差；单电池波动率越小，燃料电池一致性越好。

式中：N为单电池节数；Vj (j =1,2,……,N )为单电池电压；V为单电池平均电压。

B：单电池电压变化的均方根值是各单片电压偏离平均电压距离的平均数，它反映了各单电池电压的离散程度，其公式如式(2)。单电池电压变化的均方根值越大，燃料电池各单片电压的波动就越大；单电池电压变化的均方根值越小，燃料电池各单片电压的波动就越小。

式中：N为单电池节数；Xi(i =1,2,……,N )为单电池电压；X为单电池平均电压。

C：单电池电压的波动幅度就是燃料电池堆中单片的最大电压与单片最小电压的差值，反映了燃料电池堆单电池电压波动的大小，其公式如式(3)。单电池电压波动的幅度越大，燃料电池堆单电池一致性就越差；单电池电压波动的幅度越小，燃料电池堆单电池一致性就越好。

D：图形法即将电堆中所有单体电池的电压数值绘制成折线图，直观查看单体电压的分布情况，从而反映单体电压的均衡性。目前，图形法很难应用于信息化、自动化系统，而且当电堆中单体数较大且电压较为接近时，很难准确定量判断。

图1 单电池电压分布

2. 电堆操作参数对单片电压一致性的影响

电堆的操作参数主要是指电堆运行时能够人为改变的外部运行参数，主要通过改变温度、压力、湿度和气体过量系数等操作参数来改善电堆内部传质传热不均现象，从而改善单片电压一致性。而且这种方法容易实现，不需要知道燃料电池内部复杂反应过程，只要通过改变外部条件来改善输入输出值来考察各个操作参数对燃料电池电堆电压一致性的影响。

2.1. 电流密度对单片电压一致性影响

燃料电池堆各单片电压随着电流密度的增加而减小，同时大负载下电堆内部反应物质分布不均匀，温度分布不均匀导致电堆单片电压波动较大，从而影响电堆单片电压一致性。

早期研究：1. Paul Rodatz等研究了一个功率 6 kW的电堆在单片电池电流密度为 0.34 A/cm2时的电压性能，发现各单片电压相对于平均电压的平均波动为 5%。2. S. Giddey等研究了不同负载下 16片的质子交换膜燃料电池堆单片电压一致性的情况。实验表明，当负载电流从 0加载到 120 A时，燃料电池堆单片电压波动有轻微的上升，如图2是电堆在 100、110和 120 A时电堆单片电压的分布，100 A到 110 A单电池电压降较 110 A到120 A要小一点，尤其是电堆后面单电池电压下降明显。

图 2 负载电流对燃料电池堆单片电压一致性的影响

2.2. 过量系数对单片电压一致性影响

反应气体过量系数大小直接影响到电池内的水气传输，如果反应气的流速过小，不利于电池内生成的水的排出，进而会降低阴极扩散层内氧传质的速度，增加浓度极化，降低电池性能；如果反应气的流速过大，水的饱和度低，膜变得干涩，电池性能也会下降。因此，过量系数对单片电压一致性影响很大。

早期研究：1. Jer-Huan Jang等研究了不同过量系数对单片电压一致性的影响，当阳极气体过量为 1.4、1.6和 1.8时，电堆侧的单电池单元较中间的单电池性能好，同时加大阳极气体过量系数时，单电池电压分布趋于均匀，这主要是因为不合理的进气方式引起电堆中单电池的气体流量分布不均匀。2. 黄敏等采用田口法对质子交换膜燃料电池工作条件进行了优化，通过实验表明，在气体入口压力 0.18 MPa，氢气过量系数 1.1，空气过量系数 2.0，电池温度 70 ℃时，电堆在负载 80 A下输出功率 5.16 kW，电堆单片电压波动率只有 1.36%，可见田口法在优化操作参数上有重要意义。

2.3. 温度对单片电压一致性影响

电池温度是影响质子交换膜燃料电池堆单片电压的重要因素，电池的温度过低，水以液态的形式存在，可能淹没催化剂和气体的扩散层，从而降低气体的扩散性；电池温度过高，会造成质子交换膜的严重脱水、降解甚至破裂。

早期研究：1. M. Perez-Page等研究了燃料电池堆单片电压一致性与温度的关系，研究表明当燃料电池堆工作温度 70 ℃时，其单电池的电压分布相比于 40 ℃变得更加均匀。这主要是因为温度增加，质子交换膜的电导率增加，并且变得更加均匀。2. H. I. Lee等研究了一个无加热装置的电堆各单片单元的温度，发现电堆中间的单片温度较两边的高，认为温度是引起电堆单片电压不均匀的主要原因。3. Jer-Huan Jang等考察了操作条件对单电池和电堆的影响，其中有一个是加湿温度对 5片电堆单电池一致性的影响，如图3不同加湿温度对单电池电压一致性的影响。

图 3 加湿温度对燃料电池堆单片极化曲线性的影响

2.4. 压力对单片电压一致性影响

压力对电堆单片电压一致性影响很大：一方面，随着反应气体压力的增加，电堆进出口间的压力差减小，能够改善反应气体的传质，减小浓度损失，使各单片电池的电压分布更加均匀；另一方面，当反应气体的压力达到一定值时，电堆进出口间的压力差减小会影响气体的线速度，不利于电池内过量的液态水的排出，从而使单电池的电压分布不均匀。

早期研究：1. 齐基等研究了不同反应气体的进口压力与 PEM电池堆单片一致性的关系。PEM电池各单片电压随着反应气体进口压力的升高而增加，这主要是由于反应气体的进口压力的升高能够改善反应气体通过电极扩散层向催化层的传质，减小浓度极化。

2.5. 湿度对单片电压一致性影响

燃料电池工作过程中需要合适的水平衡，因此反应气体适当的加湿对燃料电池的性能及单片电压一致性影响非常大。

早期研究：1. 齐基等研究了湿度对燃料电池堆单片电压一致性的影响，研究表明随着阴极和阳极的相对湿度的增加，PEM电池各单片电池性能总体上得到了改善，这主要是随着反应气体相对湿度的增加，促进了质子交换膜的水合，提高了其电导率，使单电池的性能提高。图 4为湿度对燃料电池堆单片电压一致性的影响。

图4 湿度对燃料电池堆单片电压一致性的影响

3 . 电堆结构对单片电压一致性的影响

电堆结构主要指组成电堆的单元结构及组装后的结构。目前改善电堆结构设计来改善单电池电压一致性也是比较热门的方向之一，通过改进流道设计、公共气道设计、流场板厚度、扩散层厚度、膜的厚度、排热方式以及装夹方式等方法来改善电堆内部水热平衡以及反应物的均匀，使得单电池一致性得到改善。

早期研究：1. Xianguo Li等研究了燃料电池双极板结构对电堆性能的影响，分析了点状流场、平行流场、单流道蛇形流场、多流道蛇形流场以及一些特殊流道等对电堆内部压强分布、物质分布、单电池一致性及反应等影响，指出双极板在反应物质的通过、电流的收集、结构支撑及水热平衡等方面扮演重要角色，不同的双极板结构各有优缺点，适合不同的应用场合。2. Hu等研究了电堆在不同进气结构下不同负载对电堆单片电压一致性的影响，研究表明电堆单片电压波动在“U”进气方式下较“Z”形大。

4. 材料对单片电压一致性的影响

材料对燃料电池堆单片一致性影响很大，主要通过改变电堆电解质膜材料、催化剂、密封垫、气体扩散层、双极板以及排热介质等方法来减小燃料电池堆单片衰减不一致性，改善单片电压一致性。张海峰等分析了目前双极板制备方法，介绍了常用材料金属板和石墨板各种优缺点及对电压一致性的影响，并提出复合板将是未来发展方向。以大连化学物理研究所为代表的石墨金属复合双极板弥补了单一石墨双极板的不足，表现出了良好的工况适应性及电堆单片电压一致性，其电堆已经用于国内示范燃料电池汽车与发电装置上。

5. 结论与展望

操作条件对燃料电池单片电压一致性影响的研究比较多，优化操作条件改善燃料电池与负载的匹配，比较容易操作，而且好的操作条件可以在现有情况下优化燃料电池输出，延长燃料电池的寿命，经济性也比较好。改变燃料电池结构对燃料电池单片电压一致性的影响研究也很多，主要改变流场结构、公共气道设计、流场板厚度、扩散层厚度、膜的厚度、排热方式以及装夹方式等方法来改善电堆内部水热平衡以及反应物的均匀，使得单电池一致性得到改善。研究材料对燃料电池性能影响的研究目前比较多，主要通过改变催化剂、阴阳极板材料、扩散层材料、膜等方法来改善燃料电池的性能。但是目前在燃料电池单片一致性方面的研究比较少，而且大多只是改变某种材料然后做单电池测试，缺少电堆方面的研究，因此这方面基础性的研究有待加强。