摘  要：為了解質子交換膜燃料電(PEMFC)歐姆阻抗的影響因素，用斷電法測出了不同工作溫度、不同增濕條件、不同進氣過量系數、不同工作壓力下的歐姆阻抗。試驗結果表明，PEMFC歐姆阻抗隨工作溫度的提高而減小，隨進氣濕度的增大而減小，受工作壓力和進氣過量系數的影響較小。歐姆阻抗的明顯增大可作為PEMFC質子交換膜變干的判定依據。合理控制工作溫度、進氣濕度等參數，可以減少歐姆極化損失，提高PEMFC的工作效率。
關鍵詞：質子交換膜燃料電池；歐姆阻抗；斷電法

    極化曲線是燃料電池的基本特性曲線，Kim等提出半經驗模型來描述燃料電池的極化特性：

其中：b1lgI代表活化損失，m exp(n1)代表濃差損失，RΩI代表歐姆損失。通常燃料電池工作在中間電壓區域，此時歐姆損失是影響燃料電池性能的最主要因素。因此在燃料電池數學模型中，歐姆阻抗RΩ直接決定仿真結果的準確性。典型的質子交換膜
燃料電池(PEMFC)極化曲線如圖l所示。

    Verbrugge采用Nernst-Planck方程通過研究膜的電導率，計算RΩ；Zawodzinski等基于實驗的半經驗模型研究了膜中水的擴散系數隨膜中水含量和溫度的變化對膜電阻的影響;Jeferson等提出等效電路模型模擬了質子交換膜燃料電池的動態過程；莫志軍等提出廣義內阻的概念并進行了實驗測量；郭建偉等用交流阻抗法研究了燃料電池的歐姆阻抗；Tuomas等用斷電法測得燃料電池堆的總歐姆極化和堆內各個單電池的歐姆極化之和，并對測試結果進行比較。這些研究未給出各種工作條件對RΩ的影響規律。本文將通過試驗方法開展這方面的研究。

l 試驗方法
    質子交換膜歐姆阻抗測量裝置如圖2所示。燃料電池測試臺架分別控制燃料電池的工作溫度，陰極和陽極的進氣壓力、進氣露點溫度和進氣流量。

    Buchi等人的研究結果表明，歐姆損失降低到初始值的1％，從斷電開始算起只需0．5 ns的時間，同時指出，從實驗結果估算，最快的電化學反應時間大致為10 ns左右。根據以上這些估計，電阻測量的時間窗口大致為斷電后的10 ns。但是因為測量系統的誤差以及電感效應等影響因素，在實際測量中發現斷電過程用時遠遠大于10 ns，所以必須根據實際情況選取合適的測量時間和測量頻率。為區分出歐姆極化和其他極化，試驗中應該采取盡量高的采集頻率。試驗中采用LMS公司SCADAS Ⅲ數據采集系統進行數據采集，采集頻率為200 kHz。
    階躍法和斷電法都是測量燃料電池歐姆阻抗的常用方法。本試驗采用斷電法進行測量。先保持一個固定的電流In，再突然斷電，電壓變化的線性部分為△U，電流和電壓變化如圖3所示，則燃料電池的歐姆阻抗為

2 試驗結果與分析
    試驗用燃料電池堆由2片單電池組成，采用NafionR 112質子交換膜，電池面積為154cm2。
    圖4是試驗中采集到的斷電過程的電壓和電流信號(為標注方便，t軸起始坐標標注為0)，與圖3相比，電壓信號在線性上升階段產生了一個局部最大值，然后在經歷了一個振蕩過程后按照指數形式逐漸上升。此局部最大值是由燃料電池堆和負載線中的電感產生的感應電動勢造成的，因此應該按照圖4的方式判斷電壓信號在線性上升階段和指數上升階段的分界點Us。

    以下分別討論工作溫度、進氣相對濕度、過量系數和工作壓力對歐姆阻抗的影響，為與其他試驗結果進行對比，將電池堆工作電壓以單片電壓u表示，將電池堆歐姆阻抗RΩ轉化為單片電池單位面積歐姆阻抗rΩ，將電流I轉化為電流密度J：

其中：n為電池片數，A為燃料電池單片面積。

2．1 工作溫度對歐姆阻抗的影響
    保持工作壓力為0．15 MPa絕對壓力不變，當工作溫度由40℃提高到60℃時，燃料電池歐姆阻抗變化如圖5所示。同樣在進氣飽和增濕條件下，隨著工作溫度的升高，進入到燃料電池堆中的水蒸氣逐漸增多，質子交換膜的潤濕情況逐漸變好，極化曲線逐漸提高。
    小電流密度情況下，歐姆阻抗隨工作溫度變化較大，在O．1A／cm2的電流密度下，歐姆阻抗由60℃時的O．16Ω·cm2減小至40℃時的O．1 2 Ω·cm2。這是因為試驗中采用定空氣流量的控制方式，當電流密度較小時，一定供氣流量的空氣過量系數較大，質子交換膜容易被吹干。大電流密度條件下，歐姆阻抗隨工作溫度的變化較小，這是因為電流密度增大時，反應生成水增多，空氣過量系數變小，不足以將膜吹干，質子交換膜得到較好的潤濕，歐姆阻抗的差異變小。

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