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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：wj163. 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。 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。 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E 由 Nernst方程可得： r E r 1.229 −(8.5 ×10−4 )(T −298 .15) +(4 .308 ×10−5 )T (ln( p H 2 ) +1/ 2 ln( p O2 )) （1） 101325 101325 式中，T 为反应的开氏温度，p H 2 是阳极侧氢的分压力，p O2 是阴极侧氧的分压力，单位均 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 - 1 - 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 o 变时，由于 PEMFC 工作于室温到100 C 之间，在此范围内，温度上升会使可逆电动势略有 下降。 电池在工作时，电极电位要偏离可逆电位，这种现象称为电极极化。偏离值越大，则极 化越严重。电极极化主要包括电荷传递过电位（活化极化）η ，欧姆过电位（欧姆极化） act η 和浓差过电位（浓差极化）η 三种。电池的输出电压可表示为[1-3] ： ohm conc V E −η −η −η （2） Cell r act ohm conc [4,5] 活化极化包括阳极和阴极的活化极化。阳极的活化极化如下式所示