温度、压力、湿度对燃料电池氢传输特性的影响分析

沈春娟 高 源

1.上海燃锐新能源汽车技术有限公司 上海 201800;2.同济大学 上海 201804

燃料电运行推广过程中仍然存在一些问题，比如对环境比较敏感以及有限的工作温度兼容性[1]。本文选择了三个环境变量，建立数学模型分析，探究电池中氢传输的特性。

1 氢传输特性一维数学模型

1.1 模型假设

(1)一维集总参数模型；

(2)气体为理想气体，遵守理想气体规律；

(3)电池系统温度均匀；

(4)不考虑水蒸气影响；

1.2 燃料电池最大输出电压及电压损失 当燃料电池在热力学可逆条件下可获得最大的电能输出和电势差，该最大可能的燃料电池电势即为燃料电池可逆电压[2]。

Vi＝Vrev―Virrev#(1)

Vrev最大电压；Virrev非可逆电压损失。

常温常压，做最大电功产生的吉布斯自由能变化:

Welec＝△G＝△H―T△S#(2)

其中G为吉布斯自由能，H为热含量，T绝对温度，S为熵。

通过电荷Q做功的系统电势E为:

Welec＝EQ#(3)

假设电荷由电子运载:

Q＝n F#(4)

则根据公式(2)、(3)、(4)可得:

△G＝―n F Er#(5)

n每摩尔消耗的燃料电池传输的电子摩尔数，其中F为法拉第常数，Er为标准可逆电压。

假设△H不随温度的变化而变化，:

式中△Grxn是反应中的标准自由能变化。

理论电势E通过Nernst公式结合标准状态下熵变化值来表示[3]:

式中，R通用气体常数，绝对温度T，消耗的电子数n，F法拉第常数，PH2O水在阴极的分压力，PH2是氢气在阳极的分压力，PO2是氧气在阴极的分压力。

根据熵变化值，公式(9):

电池反应损失。实际电压比式(8)中的计算值小，如图1所示。

图1 PEMFC极化曲线

实际输出电压应为:

Vcell＝ENernst―ηact―ηohm―ηcon#(11)

式中:ENernst为燃料电池热力学电动势；ηact为活化过电压；ηohm为欧姆过电压；ηcon为浓差过电压。

1.2.1 欧姆过电压对氢传输的影响 欧姆损失主要是由质子交换膜对质子传递的等效膜阻抗以及电极和集流板对电子传递的阻抗引起的[4]。欧姆损失可以从下式得出:

Rionic主导上式所示的反应。Rionic为电解质的离子阻抗，Relec产生的电阻，可以表示为:

式中:tm厚度(μm)。A有效面积(cm2)，对于Nafion系列质子交换膜的电阻率为:

式中:第一项电阻系数；λ质子交换膜含水量。

经过研究结果[5]欧姆内阻为:

式中，σm是质子交换膜的传导率，

质子交换膜的传导率表达公式:

1.2.2 浓差过电压对氢传输的影响 在燃料电池运行过程中，由于扩散缓慢，电极反应物不能及时到达电极表面，使反应难以进行，也使电极表面附近的反应物贫化，与本体浓度发生偏离，造成电极电势偏离按照溶液本体浓度计算平衡值[6]

根据Berning等人[7]的研究，

ηcon＝mexp(ni)#(32)

式中，m、n均为质量传递系数。有以下两种不同的表达式:

2 氢传输稳态仿真模型

2.1 模型建立 基于公式(11)建立起PEMFC的稳态仿真模型，如图2。

图2 PEMFC稳态仿真整体模型

2.2 仿真条件

表1 PEMFC稳态仿真各项参数

3 不同工作条件对PEMFC氢传输特性的影响分析

3.1 温度对氢传输的影响

图3 氢气分压力在不同温度下随电流密度的变化曲线

3.2 压力对氢传输的影响

图4 氢气分压力随电流密度的变化曲线

3.3 湿度对氢传输的影响

图5 氢气分压力在不同的湿度下随电流密度的变化曲线

4 结论

4.1 氢气分压力会随着电流密度的增加而增加，并在高电流密度下突增。

4.2 氧气分压力对氢气分压力的影响最小。理想工作条件:温度80℃左右，压力维持高压状态，湿度尽可能保持饱和状态。