基于DSP的燃料电池测控系统硬件设计(6)
（一）理论分析
在铂催化剂上，氢的氧化速率比氧的还原速率快得多。所以就PEMFC而言，氢的过电位可以忽略不计，当电流密度较小而忽略传质的影响时，电池电压和电流密度的关系为:
其中，E是电池电压，i是电池的电流密度，E0是电池的可逆电位，b是氧还原反应Tafel斜率，i0 是氧交换电流密度，R是欧姆电阻(包括质子膜的电阻、氢氧化反应电子转移电阻、电极和极板等的电子电阻、质量传递电阻等)。R与膜的结构、水含量、厚度有关。由式(2-4)和(2-5)可以看出，想要提高燃料电池的性能，就应在相同的输出电压条件下，使电池的电流密度尽可能的大，并想办法降低R的大小。
（二）实际的影响因数分析
就实际影响因素而言，对照于以上的理论分析，制约PEMFC电池堆放电特性的主要因素包括氧化气体与燃料的种类、质子交换膜的种类与厚度、反应气体的压力、电池堆内部的温度、湿度以及尾气排放量等等。
（1）质子交换膜的种类与厚度对电池堆性能的影响。质子交换膜(Proton Exchange Membrane ,PEM)是质子交换膜燃料电池的核心组成。它不同于一般化学电源中使用的隔膜，不仅仅是一种隔膜材料，还是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底。具有良好的离子导电性， 在其中迁移速度高，而水分子在膜中的电渗透作用以及气体在膜中的渗透性非常小，即膜具有优良的选择性，有效地避免了氢、氧在电极表面发生反应而造成电极局部过热，而导电离子却能自由迁移。膜的种类与厚度不同，其电导率、防渗透能力及含水率会有较大的差异，从而造成电池的欧姆阻力R的不同，直接制约电池堆的放电性能。在同等的外围条件下，膜的厚度越小则电池的内阻越小，其放电性能也就越好。但同时厚度减小也会导致膜的防渗透能力降低，甚至影响到膜的抗拉强度，造成膜的损坏。所以两者要综合考虑。
（2）氧化气体、燃料种类对电池堆性能的影响。对PEMFC电池堆来说，氧化气体主要有空气与氧气两种，而燃料主要有氧气、富氢气体(如甲醇或乙醇的重整气等)以及近些年刚刚发展起来的直接甲醇等三种。单从影响电化学反应的因素来分析，反应气体浓度越高，分压越大，受到的扩散阻力也就越小，则电化学反应得越充分。同时也降低了电池的欧姆内阻R，所以理论上高纯度的氧气与氢气是最好的选择。但另一方面，在具体研发中必须考虑氧化气体与燃料的存储方式、安全性与成本等因素，同时也必须考虑到系统的小型化与轻型化、便携化。
(3)操作压力对电池堆性能的影响。根据能斯特方程，电化学反应中电池的电压变化△U与压力成指数关系。实际上，由于电池内部反应气体的压力增大，则反应物的浓度相应提高，氢、氧的传质得到加强，从而加大了电化学反应的程度，提高了电池的可逆电动势 。同时，从动力学的角度分析，增大气体压力还有利于提高电流密度，降低活化电位，即在相同过电位的情况下，电流密度提高，从而电池放电性能提高。但另一方面，增加反应气体压力的同时，必然会增加整个系统的能耗，同时也会增加系统的体积与复杂度。因此，从提高能量利用率和简单化、小型化的角度考虑，在小型PEMFC供电系统的设计中，电池堆内部反应气体的压力不会太高，尤其是对于空气压力，一般在0.3MPa之内。
(4)温度对PEMFC性能的影响。在影响PEMFC的参数中，温度的对电池的影响十分显著。根据能斯特方程，燃料电池的开路电压V与电池温度T的关系式如下式 :