长春理工大学学报（自然科学版）
开路电压Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition ）
Vol.42No.5Oct.2019
第42卷第5期2019年10月
收稿日期：2019-02-14
基金项目：吉林省科技发展计划项目（JJKH20181126KJ ）
作者简介：杜新（1975-），男，博士，副教授，硕士生导师，E-mail ：duxin225@sina
杜新，张宇
（长春理工大学
机电工程学院，长春
130022）
摘
要：质子交换膜在PEMFC 的研究中是一个非常关键的部分。在氢氧燃料电池实际使用中，电池的开路电压值总是比 热力学理论值（1.23V ）要低200mV 左右，而这损失的200mV 主要是由内电流和氢气渗透引起的。量化分析开路电压，根据开路时电极电流为零，重新推导内电流与过电势的关系，从而验证氢气渗透会减小电池开路电压。同时可以得出，膜越厚对电池开路电压越小；也考虑了催化层有水膜会减小氢气渗透现象；催化剂Pt 负载量越少，电池开路电压越大。关键词：PEMFC ；开路电压；膜厚；氢气渗透中图分类号：TM911
文献标志码：A
文章编号：1672-9870（2019）05-0048-04
Effect of Hydrogen Permeation on Open Circuit Voltage of PEMFC
DU Xin ，ZHANG Yu
（School of Mechatronic Engineering ，Changchun University of Science and Technology ，Changchun 130022）
Abstract ：Proton exchange membrane in the research of PEMFC is a key part in actual use of the hydrogen fuel cells.Battery open circuit voltage is always lower than thermodynamic theoretical value （1.23V ）about 200mV ，and the loss of 200mV is mainly caused by the current and hydrogen permeation.In this paper ，the quantitative analysis of open circuit voltage is carried on ；according to the electrode current being zero in open electric current the electric po-tential relationship is deduced to verify the hydrogen permeability will reduce battery open circuit voltage.At the same time ，it can be concluded that the battery open circuit voltage is smaller with the thicker film.It is also considered that the presence of water film in the catalytic layer can reduce hydrogen percolation.The open circuit voltage of the battery is higher with the catalyst Pt load being lower.
Key words ：PEMFC ；over potential ；film thickness ；penetration of hydrogen
由于环保、低温、高能量密度等优点，质子交换膜燃料电池成为下一代交通运输的理想动力源［1-2］。在标准状态下，其理论电势是1.23V ，但在实际使用中的开路电压只有0.95～1.05V ［3］。内电流和氢气渗透被认为是主要原因。氢气渗透还严重影响电池的性能、效率和稳定性。目前关于氢气
渗透对电池性能的影响还没有完全清楚，主要是一些定性的结论，量化分析的成果还很少。2010年Saurabh ［4］提出了用开路电压研究氢气渗透现象；Jinmoo ［5］也提出了氢气交叉会引起额外的氧化反应发生。上述分析都用到了氢气渗透的流量和电流密度的关系，他们均假设为符合法拉第定律。然而上述规律从理论和实验上还没有得到验证。通常认为在电化学中反应
掉的气体流量和电流密度才符合法拉第定律。本文在建模时，不使用氢气渗透的流量和电流密度的关系，避免了上述假设；根据开路时电极电流为零，重新推导了内电流和过电势的关系，并用于分析氢气渗透的影响。
1电化学模型
1.1模型假设
本模型为简化计算，假设：（1）燃料电池工作处于稳态情况；（2）燃料电池在整个反应中处于恒温；（3）反应气体均认为不可压缩气体；（4）模型为二维模型。
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