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技术背景
质子交换膜燃料电池（PEMFC）以氢气作为燃料，氧气作为氧化剂，通过电化学反应将氢气和氧气的化学能转化为电能。其气体供应的相关条件（如压力、计量比、温度、湿度）对性能有着巨大影响，因此分析气体供应的相关条件是燃料电池堆的重点研究方向之一。本工作对某大功率PEMFC进行性能试验及其氢空侧条件敏感性试验，分析其进气压力、进气温度对电堆输出性能的影响。
燃料电池电堆性能试验方案
2.1 活化试验方案
本工作采用变流变压高温的原位活化工艺，通过改变电流加载、测试参数（温度、压力、流量等）等多种方式组合来缩短活化时间，提升活化效果。本次活化共有2轮，第一轮活化采用1.0A/cm2稳定30min，随后拉载至额定电流并稳定10min，此举是为了高电密时产水多，能更好的起到润湿质子交换膜的作用，增加质子传输效率，提高PEMFC的放电性能。第二轮活化电流拉载至1.8A/cm2稳定30min，随后拉载至额定电流稳定10min。两次活化稳定工况由1.0 A/cm2升至1.8 A/cm2，此举是增大电流差，通过打破流道内水平衡状态，保持膜上湿润，令催化剂达到最佳状态，其次通过两轮放电的形势，除去电堆内部杂质，保持一个纯净的工作环境，试验设备如图1所示。上海汽检氢能与燃料电池检测服务平台多功率等级的电堆测试台可以满足客户不同功率等级的需求。高控制精度的电堆性能测试台具备常规性能测试能力、条件敏感性测试能力、动态耐久测试能力等。电堆性能测试台与环境舱联动，具备短堆低温冷起动测试能力。电堆性能测试台与电化学工作站联动，具备短堆多通道电化学阻抗测试能力。
  图1 上海汽检氢能与燃料电池检测服务平台试验设备
2.2 极化试验方案
活化试验完成后进行极化试验，验证电堆性能是否达到出厂指标。按照每个电密所需供气、加压、升温、增湿、拉载，以每个电密5min的运行时间稳定进行，直至拉载至额定电流。燃料电池电堆性能标定合格后，开始降载关机流程，该电堆完整的性能试验流程如图2所示。
 图2 性能试验流程图
2.3 性能试验结果分析
极化曲线反映了燃料电池在不同电流密度下的电压输出情况，是评估燃料电池性能的重要依据。如图3所示，电压在初始阶段呈现快速下降趋势，随后逐渐趋于平缓，这是低电密下电堆温度低，产水少导致膜干所致。这意味着燃料电池在初始阶段存在较大的性能损失，但随着时间的推移逐渐趋于稳定。当电流加载至额定电流时，总电压、平均单节电压、功率均大于出厂指标，且单节电压未出现单低或极差过大现象，认定该电堆性能处于合格状态，可以继续进行敏感性试验。
 图3 极化试验曲线图
燃料电池电堆进气压力敏感性试验方案及结果分析
3.1进气压力敏感性试验方案
控制氢空侧进气温度、湿度、计量比等条件为额定电流下对应条件，加载电流至额定值，然后调节氢气进口压力以10kPa的步长在175kPa ~105kPa区间变化，阴阳两极气体入口压力差固定为10kPa。测试电堆的性能，分析不同进气压力下电堆的性能特性。
3.2进气压力敏感性分析
进气压力敏感性试验曲线如图4所示。从图中可以看出，燃料电池的输出电压与压力有着极强的相关性。计算处理燃料电池输出电压以及相关参数的均值，得到每下降10kPa时电堆平均单片电压下降散点图，如图5所示。
可以观察到在高电密下，平均单片电压与进气压力呈强正相关。随着进气压力的降低，电堆性能逐渐下降，二者之间呈线性相关，说明高电密下电堆的氢气压力的敏感性较高。这是由于压力降低时，气体浓度会随之减小，从而降低气体在燃料电池内部的传输，使得燃料电池的输出电压越低。
 图4 额定电流下进气压力敏感性试验曲线  图5 压力下降与平均单片电压下降关系图
燃料电池电堆进气温度敏感性试验方案及结果分析
4.1进气温度敏感性试验方案
控制氢空侧压力、湿度、计量比等条件为额定电流下对应条件，加载电流至额定值，然后调节氢空侧进气温度为70℃、75℃、70℃、65℃、60℃、55℃。测试电堆的性能，分析不同氢空侧进气温度下电堆的性能特性。
4.2进气温度敏感性分析
电堆性能随进气温度的敏感性变化曲线如图6所示，从图中可以看出，电堆的平均单片电压与进气温度有着密切的联系。计算处理燃料电池输出电压以及相关参数的均值，得每下降5℃时电堆平均单片电压下降散点图，如图7所示。
可以看出，在70℃升至75℃时，平均单片电压随着进气温度的上升而提高，这是因为在燃料电池中，氢氧在催化剂的作用下发生氧化还原反应，生成水和电能，这个反应速率受到温度的影响，温度升高，有助于提升电化学反应活性，进而提高电堆性能。进气温度从75℃降至55℃时，平均单片电压不断降低。该现象是由于氢气在不同温度下的传输特性存在较大差异。在低温下，氢气的扩散系数较小，容易在氧化反应前就在催化剂颗粒表面出现聚集现象，导致氧气减缺现象，进而影响电堆的性能，造成输出总电压下降明显的现象。另外进气温度较低时，反应气体分子动能不足，电化学反应速率减慢，导致电堆输出电压下降。
 图6 额定电流下进气温度敏感性试验曲线  图7 进气温度与平均单片电压下降关系图
总结
本工作利用试验的方法研究了大功率PEMFC的性能试验方法，并探究了其氢空侧进气压力、进气温度对燃料电池堆输出性能的影响。可以得到：一、高电密下，进气压力变化对PEMFC的输出性能影响极为明显，其敏感度较高。在一定范围内，压力越大，电池的输出性能越好，但压力能达到多少，与电堆、膜电极所能承受的最大压力有关。二、进气温度变化对PEMFC性能有明显影响，适当的提高进气温度可以加快电化学反应速率，从而提高电堆的输出功率。
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