商業尺寸質子交換膜燃料電池性能實驗研究林林，吳睿，張欣欣（1.北京科技大學機械工程學院熱能工程系，100083北京，linlinustb.edu.cn）的性能，通過對極化曲線的測量，重點分析了操作溫度與加濕溫度對不同厚度質子膜含水量及電池陰極水泛濫的影響。結果表明，質子膜含水量及陰極液態水移除主要取決于加濕溫度和操作溫度的最佳匹配。當操作溫度低于加濕溫度時，電池性能隨操作溫度升高而提高；反之，電池性能隨操作溫度升高而下降。在相同電池溫度和加濕溫度下，Core57電池性能優于Core5621，因為較薄的Core57更容易保持膜的含水量。低操作溫度下，較薄的Core57電池陽極或陰極僅需側加濕即可維持膜的含水量，因此側加濕時的電池性能優于兩側加濕時的。而對于較厚的Core5621，無論操作溫度高低，陰陽極兩側需同時加濕才能保證膜的含水量；因此，對于采用較厚質子膜的商用燃料電池，操作時必須保證陰陽極同時加濕。

質子交換膜燃料電池具有操作溫度低、啟動基金項目：國家自然科學基金資助項目（50836001）。

張欣欣（1958），男，教授，博士生導師。

迅速、能量密度高、結構設計簡單等特點，特別適合定置型發電系統和傳輸工具的能源供應上。水管理是質子交換膜燃料電池的關鍵技術之，通常，反應氣需加濕以維持質子交換膜足夠的濕潤性，才能保證氫離子在膜內的有效傳輸，但過高的反應氣濕度及陰極反應生成液態水不能有效移除又可能導致陰極水泛濫發生，產生傳質限制4.質子交換膜燃料電池的水管理可通操作條件的優化匹配實現。近年來，國內外燃料電池公司和研究機構對此開展了大量實驗研究，但公開發表的多集中于反應面積<25cm2的小尺寸電池，對于適用于汽車等動力裝置的反應面積在200~600cm2的商用質子交換膜燃料電池報道極少510.具有長流道的商用質子交換膜燃料電池在很多方面性能與小尺寸質子交換膜燃料電池不同，如：反應物的輸運、膜中水的分布、液態水的本文實驗研究了電池操作溫度和反應氣加濕溫度對反應面積為256cm2的蛇形流場質子交換膜燃料電池性能的影響，為探析質子交換膜膜厚度對電池水管理和電池性能的影響，分別采用了2種不同厚度的質子交換膜Core5621和Core57加工單電池。該研究有助于進一步了解燃料電池尺寸對電池內部傳輸特性和電池性能的影響，也可為大尺寸燃料電池數學建模提供實驗數據。

1實驗

1.1系統組成實驗系統的詳細介紹見13.實驗系統由氣體供應系統、流量控制系統、溫度控制系統、增濕系統、電子負載系統、數據采集系統和單電池組成。氣體供應系統提供氫、氧或空氣作為陽極和陰極燃料，同時提供氮氣用于在實驗前后充入系統管路和單電池以排除其他氣體。流量控制系統用以控制燃料入口流量。溫度控制系統包括1個加熱棒、T型熱電偶和OmegaCN760000PID溫度控制器，用于控制電池操作溫度。增濕系統通過控制加濕瓶中水的溫度調節燃料的入口加濕溫度。電子負載系統和數據采集系統均集成于Ad-vancedScreenerTestStationHydrogenicsFCATSS-2000燃料電池測試平臺內部，其最大輸出功率2000W，最大輸出電流400A，用于測量燃料電池極化曲線。在測試電池極化曲線時，設定電池操作電壓恒定，最初電壓設定為0.975V，每次實驗按照0.05V遞增。實驗中保持陰陽極燃料入口化學計量比恒定，陽極為1.4，陰極為4.0.

1.2電池材料和尺寸測試燃料電池由本實驗室自組裝。質子膜作為質子交換膜燃料電池關鍵組件，主要作用是隔離陰陽極燃料，防止電子從陽極穿過陰極，同時使質子從陽極疏運到陰極。質子在質子膜中的傳輸阻力與質子膜的含水量密切相關，在相同操作條件下，不同厚度的膜中水的傳遞和分布特性差異顯著，因此膜厚度將影響其質子傳輸能力。本文分別使用反應面積為16cmX16cm的00尺瓦-TEXPRIMRA5621（Core5621）和GORE-TEXPRIMRA57（Core57）質子膜制成單電池。Core5621質子膜厚度為35pm，陰極催化層催化劑為Pt（0.6mg/cm2），陽極催化層催化劑為Pt、Ru合極和陽極催化層催化劑載量分別為0.4、0.2爪/唧2.氣體擴散層采用00YANGH，ZHAO