的性能影响因素

（1）影响PEMFC性能的内在因素主要有：

①燃料电池的结构形式和尺寸。

②质子交换膜的材质和工艺。

③质子交换膜的电导率。

④质子交换膜厚度。

⑤采用的氧气的纯度。

⑥燃料气体中所含的其他气体等。

（2）影响PEMFC特性的外在因素主要有：

①气体的含水率。

②燃料电池的工作温度。

③氢气和氧化剂的压力。

④燃料电池的密封性等。

使用的氧化剂有：纯氧、不同纯度的氧化剂和一般的空气（含氧气21%左右），使得PEMFC所产生的电压、电流和功率也随着变化。在PEMFC使用的氢燃料气体中难免会混合大气中的一些其他气体，最常见的有：氮气（N2）、二氧化碳（CO2）和一氧化碳（CO）等，很明显有些其他气体混杂在氢燃料气体中不仅影响PEMFC的性能，有的气体还对PEMFC的性能造成损害并使电压大大降低。

使用的氢气有：液态超低温的高压氢气、不同压力的气态压缩氢气、储氢合金吸附的氢气、用甲醇及汽油经过改质所产生的氢气等，因此氢气的压力各不相同。不同压力的氢气在进入PEMFC之前，有的需要用减压阀，将氢气的压力降低到PEMFC的工作压力。氧化剂或空气则是采用空气压缩机来增压，随着PEMFC所采用的氢气压力不同，氧化剂或空气压力也有所不同，氢气和氧化剂的压力变化，使得PEMFC所产生的电流、电压和功率也随着变化。

在PEMFC中，要求质子交换膜对氢离子有良好的透过性，但又不允许其他物质和H2透过，这是质子交换膜的主要特性。质子交换膜的厚度为对膜的电阻和对氢离子透过性有重要的影响。质子交换膜的厚度为50～180μm，质子交换膜的厚度选用与质子交换膜的材质、抗拉强度及工作环境有关。薄的质子交换膜可以降低电阻和提高电导率（质子交换膜的电化学性能主要是质子交换膜的导电性能，质子交换膜的电导率用“（Ω·cm）-1”来表示），加快燃料电池的反应速度，但质子交换膜太薄会因为强度不足而破损，影响了燃料电池的正常工作。

在工作时质子交换膜必须保持湿润，用含水率来表示质子交换膜的含水量。含水率对膜的质子扩散、质子传递、质子渗透和膜电阻有重要的影响，不同材质的质子交换膜要求有不同的含水率。在一定的含水率条件下工作时PEMFC处于最佳状态，含水率过低或过高，会使质子交换膜燃料电池的效率降低。为保证PEMFC的正常工作，参加反应的氢气和氧气必须按质子交换膜含水率的需要，对气体进行加湿。加湿的方法有外部加湿和内部加湿，一般主要采用内部加湿。

水中含有离子，则有可能产生漏电现象，使燃料电池的效率降低，因此，对水要进行脱离子处理。但是，脱离子水对铝制散热器的构件有腐蚀作用，而且在0℃时会结冰，因此，脱离子水需要采用独立的封闭循环系统。脱离子水采用热交换器与外界冷却水系统进行热交换，因而需要加大散热器的散热面积，同时保持2℃～3℃的余热，以防止冷却水结冰。因此，冷却所消耗的功率要比内燃机冷却所消耗的功率更大一些。

PEMFC在反应过程中要保持一定的温度，要求控制PEMFC反应后生成的水不会因温度过高而变成蒸气。在常压条件下，PEMFC的温度控制在70℃～80℃；在压力为3MPa左右时，PEMFC的温度控制在70℃～90℃；在压力为0.4～0.5MPa时，PEMFC的温度控制在不超过102℃。PEMFC的温度低于限定温度时，会导致极化增大，使PEMFC性能恶化。PEMFC的温度高于限定温度时，则会影响质子交换膜的热稳定性，也会使PEMFC的性能恶化。

PEMFC在限定的温度范围内温度增高时，参加反应的气体分子运动加快，分子向催化层扩散，质子从阴极向阳极的运动速度也加快，因此，在相同的电流密度下，PEMFC工作电压会升高，功率会增大，效率也有所提高。但反应时的温度增高有一定限度，需要采取热管理系统和冷却系统来控制反应的温度，控制PEMFC反应过程能够正常进行。

燃料电池在反应过程中有氢气、氧气、其他混杂气体和水等，它们必须严格地分离，因此，在膜电极、集流板之间要有严密的密封，通常采用膜电极、集流板和交换膜整体压合的工艺。在燃料电池系统中的各种管道、阀件、仪表和控制器的连接处也必须保证严密的密封。氢气的泄漏不仅降低了燃料电池的效率，而且会引发氢气燃烧的事故。

PEMFC组是用不同个数的单体PEMFC串联组成，用端板将不同个数单体PEMFC紧密地装配到一起，组成不同规格的PEMFC组。PEMFC组本身的结构比较简单，没有运动构件，不需要润滑，便于维修。在燃料电池汽车所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。

由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料电池使用的燃料和氧化剂，因此燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体（即气体和液体）。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液）。常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。

由于燃料电池通常以气体为燃料和氧化剂，而气体在电解质溶液中的溶解度很低，为了提高燃料电池的实际工作电流密度，减少极化，一方面应增加电极的真实表面积，另一方面应尽可能地减少液相传质的边界层厚度。

多孔气体扩散电极就是为了适应这种要求而研制出来的。正是它的出现，才使燃料电池从原理研究发展到实用阶段。由于多孔气体扩散电极采用担载型高分散的电催化剂，不但比表面积比平板电极提高了3～5个数量级，而且液相传质层的厚度也从平板电极的0.1mm压缩到0.001～0.01mm，从而大大提高了电极的内部保持反应区的稳定，是一个十分重要的问题。