对比PEMFC电堆通入空气/氧气的稳定性和经济性

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(1.贵州民族大学机械电子工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；3.元智大学工学院，台湾 桃园 320338;4.贵州鑫智联科技有限公司，贵州 贵阳 550003)

0 引言

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁无污染的电源[1]，其具有转换效率高、启动速度快、对环境无影响及噪音低的特点，被认为是未来新能源汽车的重点发展方向之一[2- 3]。

目前，燃料电池的研究主要集中在膜材性能提升和零部件结构改进等方面[4- 5]，鲜有针对氧化剂的研究。商用燃料电池的氧化剂绝大多数为空气，与氢气发生化学反应的主要是空气中的氧气，但空气中氧气的含量只有21%，氧气不可能和膜材完全接触反应，一定程度上限制了燃料电池性能的进一步提升。

在此，采用氧气替代空气作为常温燃料电池的氧化剂，观察电池性能的变化以及运行稳定性，计算使用氧气相较于空气的经济性，进一步分析使用氧气替代空气的合理性。

1 实验

1.1 实验设备

本实验使用的燃料电池堆是自制1.2 V，10 A电堆(2个单电池串联)，测试条件为100%加湿、电池的测试温度为55 ℃，电堆总反应面积为25 cm2，将电池双极板贴合在膜电极两侧，交替贴合，在各单电池之间嵌入橡胶密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固栓牢就完成了电堆的组装，如图1所示。测试平台为100 W燃料电池测试平台，包括电池温、湿度控制系统，气体流量供应控制系统及电子控制系统，如图2所示。

图1 电堆实物 图2 100 W测试平台

1.2 电池工作原理

燃料电池的反应原理相当于水电解的“逆”反应。其由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过，而氢气失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。

1.3 实验流程

该实验有以下几个流程：

a.通过实验做出空气、氧气的性能最优曲线。

b.交叉对比空气、氧气的功率差异及稳定性。

c.计算使用氧气相较于使用空气的经济性。

2 结果与讨论

2.1 空气/氧气最佳性能对比

通过实验发现，取电压为1.2 V，在55 ℃、氢气1.4倍单位量及空气3.0倍单位量时(氢气的1倍单位量为7 mL/cm2，氧气的1倍单位量为3.5 mL/cm2，空气的1倍单位量为17.5 mL/cm2)功率为12.5 W；在55 ℃、氢气2.0倍单位量及氧气3.0倍单位量时，功率为25.6 W。将空气和氧气的最优性能曲线做对比，如图3所示。

图3 空气、氧气最优性能曲线对比

由图3可知，无论是空气还是氧气，电池性能都平稳，说明目前的电池是适用于氧气的。在1.2 V的工作电压下，通入空气相较于通入氧气，电池性能中功率从12.5 W提升到25.6 W，电流从10.4 A提升到21.3 A，表明电池性能提升了105.2%。

2.2 氢气为1.4倍单位量时性能对比

将氢气同为1.4倍单位量，空气氧气同为3.0倍单位量时的最优性能曲线做比较，如图4所示。由图4可知电池性能平稳。在1.2 V的工作电压下，通入空气相较于通入氧气，电池的功率从12.5 W提升到25.3 W，电流从10.4 A提升到21.1 A，表明电池性能提升了102.9%。在通入氧气的情况下，氢气1.4倍单位量和2.0倍单位量的性能差异不大，因为虽然氧气的量是充足的，但膜材的性能是有上限的，导致多余的气体并未完全参与反应就被吹走。

图4 氢气1.4倍单位量性能对比

2.3 氢气为2.0倍单位量时性能对比

将氢气同为2.0倍单位量，空气氧气同为3.0倍单位量时的最优性能曲线做比较，如图5所示。

图5 氢气2.0倍单位量性能对比

由图5可知，电池性能平稳。在1.2 V的工作电压下，通入空气相较于通入氧气，电池的功率从11.76 W提升到25.56 W，电流从9.8 A提升到21.3 A，表明电池的性能提升了117%。在通入空气的情况下，氢气2.0倍单位量相较于1.4倍单位量性能出现了下降，这是由于通入过多的气体降低电池膜材的湿润度使电池的性能出现下降。

2.4 使用氧气的经济性计算

目前工业制氧技术主要有深冷法、吸附分离法和膜分离法等3种方式，其工艺分析如表1所示。

表1 制氧工艺参数对比

表1说明采用吸附分离法是性价比最高的制氧工艺，在一个标准大气压下制造1 m3氧气需要的电能为0.32～0.37 kW·h,取平均值为0.35 kW·h/m3。

电池阴极端气体消耗公式：

P=I×λ×n×C

(1)

I为电池电流；λ为气体单位量；n为电池数量；C为单位面积所需气体量(单位面积产生1 A电流需要的氧气量为3.5 mL/min,空气量为17.5 mL/min)。

电池通入氧气时性能指标最好为电压1.2 V，电流21.3 A，功率25.6 W。需要消耗的氧气量为447.3 mL/min,每小时需要消耗的氧气为0.026 838 m3/h。而生产1 m3氧气需要消耗0.35 kW·h电能，换算产生0.026 838 m3的氧气需要的功率P=9.393 3 W。通入氧气相较于通入空气，电池的性能从12.5 W提升到25.6 W，扣除制氧需要消耗的功率，功率净提升为3.706 7 W，由于通入空气亦会不可避免地产生消耗电能的情况，因此通入氧气相较于通入空气的功率净提升29.65%以上。

当氢气单位量同为1.4倍单位量时，采用和上面相同的算法，在0.6 V时通入氧气相较于通入空气，功率的净提升为28.3%。在氢气当量同为2.0倍时，采用和上面相同的算法，在0.6 V时通入氧气相较于通入空气，功率的净提升为37.5%。因为使用空气时由于氧气浓度较低，氢气量过多会来不及反应就被吹走且把膜材吹干，使电池性能反而出现了下降，使用氧气时则不存在这种情况，随着氢气单位量的提升，电池的性能亦在逐步提升，所以在氢气2.0倍单位量时空气和氧气的性能差异相较于氢气1.4倍单位量时会被拉大。

3 结束语

通过把燃料电池的氧化剂从空气变为氧气来大幅度提高燃料电池的性能，为燃料电池的研究提供了一个新的方向。通过实验发现，使用氧气时性能不仅有较大提升且性能稳定，未出现大波动。通过计算发现，使用氧气带来的功率提升可以抵消生产氧气所需的功率，并有功率净提升，说明使用氧气替代空气提高燃料电池的经济效益是可行的。