摘要：为了研究氧气浓度对质子交换膜燃料电池（PEMFC）输出特性的影响，建立了PEMFC阴极通入氧气与空气输出特性的数学模型，借助Matlab/Simulink平台，对电池的输出特性进行仿真。结果表明，氧气浓度的增加可显著提升功率，其原因在于氧气浓度的提升使Nernst电压增加、活化过电压降低、浓差过电压大幅度减少。
关键词：氧气；质子交换膜燃料电池；输出特性
1引言
PEMFC具有室温快速启动、无污染、能源转换效率高、功率密度高等特点，是一种理想的能源装置[1]。其输出性能与质子交换膜、催化剂及其性能、氧化剂、反应物剂量比、温度、湿度等因素有关。目前燃料电池研究主要集中在提高功率密度、减少催化剂Pt消耗以及小型化、低成本技术等方面。以实际操作数据看，燃料电池阴极用氧气替代空气会提高其功率密度，但以氧气为燃料电池氧化剂的相关研究甚少, 其原因可能有：（1）空气容易取得，不需要存储，制取设备较为简单，氧气则需要较多的能量与专业设备去制取；（2）氧气的氧化能力强，对材料要求高。近年来，随着制氧机技术的发展，为氧气替代空气燃料电池的发展提供了良好机遇。且氧气中SO2、CO、NH3等对质子交换膜燃料电池催化剂有毒的气体比空气少很多，直接通入氧气可降低对燃料电池的毒化作用。
本文建立PEMFC阴极通入氧气与空气输出特性的数学模型，对输出特性进行仿真对比，分析PEMFC在阴极端通入氧气对比空气性能提升的内在机制，得出输出特性提升的主要原因及影响规律。
1 PEMFC建模
PEMFC单电池的输出电压与活化过电压、欧姆过电压、浓差过电压不可逆损失之间的关系如下：
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2 结果与讨论
利用Matlab-Simulink仿真工具，根据式（1）—（9）建立了PEMFC的Simulink系统模型。根据文献[2]，取工作温度θ为50℃，氢气有效分压为1，空气有效分压为0.21，氧气有效分压为1，膜的水含量λ为14，n1、n2为空气与氧气的质量传递系数，分别为6.5和3，传递系数m的值为。PEMFC阴极分别通入空气与氧气的极化性能曲线仿真结果见图1。
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图1 通入空气与氧气的PEMFC性能仿真曲线
从图1可以看出，PEMFC通入氧气性能对比空气会得到较大提高。原因有如下几点：a.氧气浓度差异引起热力学电动势变化。空气中氧浓度约为21%，因此，PEMFC在纯氧条件下工作会产生类似于升至空气时压力的1/0.21倍，氧分压越高，氧的扩散性越好，根据公式（2），阴极氧分压增大时，PEMFC的热力学电动势会增大，经计算增量约为10mV；b.氧气浓度不同引起活化极化差异。电流密度较小时，活化极化对PEMFC的性能起主要作用，由公式（3），同样类似于升至空气时压力的1/0.21倍，计算后约减少40mV电压降；c. 氧气浓度变化引起浓差极化差异。电流较大时，浓差极化起主要作用，由公式（8）可知，浓差极化的大小主要由反应物的总浓度与催化剂表面反应物浓度的比值决定。通入空气时，由于空气中大部分是无法参加反应的氮气以及少部分水蒸气，随着电流密度的增加，氧气消耗量加大，催化剂表面的反应物浓度会越来越低，导致浓差极化产生的电压降越来越大，而在氧气条件下工作，氧化剂中几乎不存在氮气，仅含少量水蒸气，不会产生明显浓差极化，浓差过电压非常小。因此，在PEMFC在氧气条件下工作会比空气性能得到较大提升。
3 结论
PEMFC阴极端氧化剂由氧气替代空气，能大幅提升功率，主要原因在于氧气浓度的提升使氧分压增高，氧的扩散性变好，热力学电动势增加，活化过电压降低，浓差过电压减少。
参考文献
[1]衣宝廉.燃料电池的原理技术状态与展望[M].北京:化学工业出版社,2003.
[2] James L, Andrew D. Fuel Cell Systems Explained[M]. Second Edition. Chichster: John Wiley&Sons Ltd, 2003:78-80.