基于EIS的质子交换膜燃料电池输出性能优化.pdf

第2 3卷 第1 8期2 0 2 3年 9月 科 技 和 产 业S c i e n c eT e c h n o l o g ya n dI n d u s t r y V o l.2 3,N o.1 8S e p.,2 0 2 3基于E I S的质子交换膜燃料电池输出性能优化姚赵祎,莫荣佳,蒋 栋,郝慧敏,武志斐(太原理工大学 机械与运载工程学院,太原0 3 0 0 2 4)摘要:质子交换膜燃料电池(p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e l c e l l,P EMF C)输出性能的影响是多方面的,极化曲线仅能反映燃料电池稳态外输出特性,不能充分反映具体影响因素及规律,因此需研究其内部物理参数的动态变化。通过建立电堆内阻和交流阻抗特性模型,利用电化学交流阻抗谱(e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y,E I S)分析不同温度和湿度下燃料电池的内阻动态特性。结果表明,在3 3 33 5 3K温度范围内,随着温度的增加,燃料电池的内阻减小;当温度不变时,相对湿度的增加能减小电堆内阻,燃料电池输出性能增强。最后,基于1 5k W燃料电池测试平台进行性能试验,验证了燃料电池动态特性分析的正确性,为进一步优化P EMF C输出性能提供理论支持。关键词:质子交换膜燃料电池;温度;湿度;内阻;等效电路;电化学交流阻抗谱中图分类号:TM 9 1 1.4 2 文献标志码:B 文章编号:1 6 7 1-1 8 0 7(2 0 2 3)1 8-0 1 6 8-0 9收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 1基金项目:山西省重点研发计划(2 0 2 1 0 2 1 1 0 4 0 1 0 2 0)。作者简介:姚赵祎(2 0 0 0),男,山西晋城人,太原理工大学机械与运载工程学院,硕士研究生,研究方向为氢燃料电池;莫荣佳(1 9 9 7),男,广西河池人,太原理工大学机械与运载工程学院,硕士研究生,研究方向为氢燃料电池;蒋栋(1 9 9 6),男,山东济宁人,太原理工大学机械与运载工程学院,硕士研究生,研究方向为氢燃料电池;郝慧敏(1 9 9 6),女,山西忻州人,太原理工大学机械与运载工程学院,硕士研究生,研究方向为氢燃料电池;通信作者武志斐(1 9 8 3),男,山西大同人,太原理工大学机械与运载工程学院,副教授,博士,研究方向为新能源汽车。质子交换膜燃料电池能量密度高,排放零污染,被认为是最有潜力新型绿色能源转换装置之一。然而,目前高成本和较低的输出性能阻碍了燃料电池的产业化进程1,鉴于P EMF C系统的复杂性,需要对其内阻动态特性进行研究。燃料电池内阻受多种因素影响,进气温度直接影响了电池反应速率、物质的传输与扩散。针对温度对燃料电池性能的影响,张可健等2基于P EMF C工作原理,建立燃料电池空气供给系统和氢气供给系统的机理模型,并得出不同工况下的输出电压、输出功率随负载电流的关系。蒙先攀等3使用AN S Y S/F L U E N T建立了三维质子交换膜单体模型,仿真表明,燃料电池随散热率、操作压力及进口温度的增加而升高。田思思等4通过建立燃料电池堆二维模型,试验发现低电压时更易发生水淹现象,且随着氧气过量系数的增加,电池堆性能随之提高,P EMF C电池堆的浓差极化现象得到优化改善。Y a n g等5通过试验对P EMF C动态行为进行研究,结果表明更高的工作温度提供了最佳的输出性能。除此之外,质子传输同样影响着电压损失,而相对湿度则直接决定了质子传输效率。针对相 对 湿 度 对 燃 料 电 池 性 能 的 影响,叶可等6和G h a s a b e h i等7建立电池单体模型进行仿真计算;贾坤晗等8基于数学模型进行分析,结果均表明随着相对湿度的增加,燃料电池性能得到优化改善;孙峰等9建立了P EMF C活化极化数学模型,并分析不同阴极压力对燃料电池极化电压、输出功率以及效率等性能的影响规律,结果表明增大阴极压力可明显减小极化损失,提高P EMF C工作效率。以上国内外研究工作只是针对某一参数进行分析与讨论,且对于性能的表征多依赖于单一极化曲线。但是,极化曲线主要描述的是燃料电池的稳态特性,需要确保外部工作条件(温度、湿度等)始终稳定且一致1 0。电化学阻抗谱能够动态反映电池内部状态信息,目前多应用在水管理1 1、故障检测1 2-1 3和健康诊断1 4等方面,但因P EMF C系统的复杂性,时间常数的高度相关性可能使E I S分析结论错误1 5。针对这一问题,本文从P EMF C内阻出发,结合E I S与极化曲线,分析不同参数对燃料电池动态特性的861影响,并通过试验获得了电堆输出特性,为进一步优化P EMF C输出性能提供理论支持。1 数学模型燃料电池实际输出中由于极化作用存在不可逆的电压损失,主要为欧姆极化、活化极化和浓差极化,产生的等效内阻为欧姆内阻、活化内阻和浓差内阻。1.1 欧姆内阻电子和质子在传输过程中,产生阻力并造成电压损失,这种现象被称为“欧姆极化”,可用公式描述1 6为Vo h m=i Ro h m=i(Re l e c+Ri o n i c)(1)式中:Vo h m为欧姆损失电压(V);i为电流(A);Re l e c为电子电阻();Ri o n i c为离子电阻()。离子传输比电子传输困难,故认为得到的欧姆电阻主要是电解质电阻(Ro h m),计算公式为Ro h m=tm A(2)式中:tm为膜厚度(m);A为导体截面积(c m2);覄为膜的电导率(1/(c m)。质子交换膜的电导率的计算公式为1 7:=(0.0 0 51 3 9-0.0 0 32 6)e x p 12 6 8 13 0 3-1Ts t a c k (3)式中:Ts t a c k为电堆工作温度(K);为水含量,可由公式表达:=0.0 4 3+1 7.1 8aw a t e r_v a p-3 9.8 5a2w a t e r_v a p+3 6a3w a t e r_v a p(4)式中:aw a t e r_v a p是水蒸气的活性。aw a t e r_v a p=PWPs a t(5)式中:PW为水蒸气分压(P a);Ps a t为工作温度下饱和水蒸气压强(P a)。1.2 活化内阻电化学反应需克服反应物的活化能垒,即产生活化极 化 现 象,产 生 的 等 效 内 阻 称 为 活 化 内 阻(Ra c t)。根据T a f e l简化式,活化过电压为1 8:a c t=R Ts t a c k n Fl nii0(6)其中:Ts t a c k为堆内温度(K);n为反应转移的电子数,n=2;F为法拉第常数,即9 64 8 5.3C/m o l;R为理想气体常数,即8.3 1 4J/(m o lK);i0为交换电流密度(A/c m2);为电荷传递系数。活化内阻Ra c t的大小,依赖于电化学反应的动力学,其计算表达式为Ra c t=R n Fe x p 12 6 81To-1Ts t a c k 1ioe x p n Fa c tR Ts t a c k (7)由此可得活化内阻Ra c t表达式为:Ra c t=R n Fie x p 12 6 81T0-1Ts t a c k (8)1.3 浓差内阻由于反应物和生成物的质量传输和浓度差异产生的等效内阻称为浓差内阻(Rd)。其计算表达式如式(9)所示:Rd=R Ts t a c kS CgDe f fn21F2(9)其中:n21=2FR T -i2(1 0)式中:为 扩 散 层 厚 度(m);S为 催 化 层 面 积(c m2);Cg为反应物质总浓度(m o l/L);De f f为气体扩散层有效扩散系数(m2/s);为电化学反应转移粒子摩尔数(m o l);为电导率系数。由以上各式可得,P EMF C总内阻Rs t a c k为:Rs t a c k=N(Ro h m+Ra c t+Rd)(1 1)式中:N为电堆包含单片电池数。2 模型建立2.1 阻抗谱C OM S O L模型P EMF C可以等效为含有多个内部阻抗的电压源,在质子交换膜燃料电池中,氢氧化反应速率比氧化还原反应速率要快,故对阳极极化现象所产生的阻抗可归于阴极一同考虑。基于C OM S O L M u l-t i p h y s i c s中的P EM燃料电池模块建立阴极交流阻抗仿真模型,有关仿真模型主要参数如表1所示。同时,对模型进行了以下假设:重力效应忽略不计;反应气体为理想气体,流道中气体流动为层流;催化层、扩散层及质子交换膜为均相多孔介质。表1 仿真模型参数参数名称数值多孔电极电导率/(Sm-1)1 0电解质电导率/(Sm-1)5温度/K3 5 3交换电流密度/(Ac m-2)1 0-4阳极转移系数3.5外加电流密度/(Ac m-2)0.1扰动振幅/(mAc m-2)5961 姚赵祎等:基于E I S的质子交换膜燃料电池输出性能优化 边 界 条 件:电 流 呈 二 次 分 布;B u t l e r-V o l m e r方程描述电池动力学;电解质外边界处电位设为零。在多孔电极外边界处,电极电流密度设为0.1A/c m2,施加5mA/c m2的谐波扰动。根据P EMF C工作原理,依据图1所示等效电路对 结 果 进 行 分 析1 9,该 等 效 电 路 能 充 分 反 映P EMF C的阻抗特性。与阻抗谱中各阻抗成分相对应,图1中Ro h m为欧姆内阻,大致为电化学阻抗谱左侧高频端与实轴图1 电化学阻抗等效电路的交点;Ra c t为活化内阻,Rd为浓差内阻,二者对应中频圆弧的直径;燃料电池中存在双层电荷层现象,其作用可通过在极化电阻两端并联一电容进行等效,电 容Cd l使 得 燃 料 电 池 具 有 优 良 的 动 态性能。2.2 内阻MA T L A B/S i m u l i n k模型在MAT L A B/S i m u l i n k仿真平台建立P EMF C仿真模型(图2),其内部关系的数学模型前面已经述及。在图2(a)燃料电池总内阻仿真模型中使用时钟发生器信号模拟燃料电池的电流密度,得到燃料电池输出性能与电流密度呈线性变化。在图2(b)燃料电池动态电压模型使用阶跃信号来模拟电流的阶跃变化;温度、相对湿度、活化面积、氢气压力和氧气压力作为模型输入量;动态电压、电堆输出功率和输出效率等性能参数为输出量。图2 燃料电池仿真模型071 科技和产业 第2 3卷 第1 8期 以此来对变载工况下P EMF C动态电压仿真,得到动态工况下电堆的性能变化。3 结果与分析3.1 温度对燃料电池性能的影响根据以往研究,质子交换膜燃料电池适宜运行温度为3 3 33 5 3K,所以仿真温度分别设为3 3 3、3 3 8、3 4 3、3 4 8、3 5 3K,相对湿度固定为9 0%,质子膜厚度为2 5m。3.1.1 温度对内阻的影响当质子膜厚度为2 5m,相对湿度为9 0%时,温度对内阻的影响如图3所示。由图3(a)和图3(b)可知,当电流密度保持一定时,活化内阻和欧姆内阻均随温度的增加而减小,分析原因则是随着温度的增加,燃料电池的电化学反应速率加快,降低活化壁垒,所以活化内阻减小。温度升高的同时电导率增加,所以欧姆内阻减小。此时由于反应物急剧消耗,引起因反应物浓度不足导致的浓差内阻增大,如图3(c)所示。由于活化内阻远大于浓差内阻,所以燃料电池总内阻随温度升高而减小,如图3(d)所示。对于欧姆内阻而言,其变化与电流密度基本无关,对上述仿真数据进行处理,得出欧姆内阻随温度的变化规律,如图4所示。由图4可知,欧姆内阻随温度的增加而减小,从温度为3 3 3K时的电阻值0.0 0 03 8减小为3 5 3K温度时的电阻值0.0 0 03 0,降低了2 7%。3.1.2 温度对阻抗谱的影响在C OM S O L软件中建立阴极E I S仿真模型,由于P EMF C的复杂性,为简化模型,建立了一维燃料电池的半电池模型,由电解质域和多孔电极域组成。得到不同温度下的阻抗谱图如图5所示。由图5可知,随温度增大,阻抗谱图整体向左平移,半圆弧直径也在逐渐缩小,表明燃料电池内阻在逐渐减小,此结果与上述数学模型相一致。3.1.3 阶跃加载下温度对燃料电池性能的影响基于前文建立的P EMF C动态电压仿真模型,设定初始电流为3 0A,在5时阶跃加载至6 0A,如图6所示。同时设定相对湿度为1 0 0%、质子膜厚度为2 5m.依次改变温度进行仿真,结果如图7所示。为直观显示各性能在阶跃加载下的变化,仅绘制47s变化曲线。当电流阶跃变化时,电压刚开始直线下降然后趋于稳定,如图7(a)所示。不同温度下,电压下降幅度随着温度升高而减小,这是由图3 不同温度下内阻变化曲线171 姚赵祎等:基于E I S的质子交换膜燃料电池输出性能优化 于温度升高可以降低法拉第损失电压;同时不同温度下的电压下降斜率和到达稳定时间不相同:在温度为3 3 3K时,电堆电压由变化到稳定时间约为0.2 7s;在3 5 3K时为0.1 1s,并且电压下降斜率高于3 3 3K。因此可认为升高温度可以缩短电堆电压响应时间。由图7(b)可知,电堆动态相应功率在电图4 欧姆内阻变化曲线图5 不同温度下阻抗谱图图6 电流阶跃变化流突变时,会出现超调现象。同时也可以看出功率与电压有相同的变化趋势:随着温度升高,功率响应时间减短,超调量降低。由图7(c)可知,温度对于电堆效率的动态响应影响趋势与电压类似。综上可得,在电流密度相同时,升高温度可以改善电堆动态响应性能。3.2 湿度对燃料电池性能的影响3.2.1 不同相对湿度对内阻的影响由数学模型可知,相对湿度仅影响欧姆内阻,因此设定温度为3 5 3K、质子膜厚度为2 5m,对不同相对湿度下燃料电池内阻和输出特性进行仿真计算,结果如图8所示。图7 阶跃加载下温度对燃料电池性能的影响271 科技和产业 第2 3卷 第1 8期 由图8可知,随相对湿度的增加,欧姆内阻逐渐减小。主要原因为,相对湿度的增加,传输到质子膜上的水分子数量增多,在相同的时间内运输的氢离子数量增加,故欧姆内阻减小。对于活化内阻和浓差内阻而言,其值与相对湿度无关,故总内阻随欧姆内阻的减小而减小。对仿真数据进行处理,得出欧姆内阻随相对湿度的变化规律,如图9所示。图8 不同相对湿度下内阻变化图9 欧姆内阻随相对湿度变化趋势由图9可知,欧姆内阻随相对湿度的增大而减小,由5 0%相 对 湿 度 时 电 阻 值0.0 0 10 6减 小 为1 0 0%相对湿度时的电阻值0.0 0 02 1 11,降低8 0%。3.2.2 阶跃加载下湿度对燃料电池性能的影响设定电流阶跃变化如图6所示,探究不同相对湿度下燃料电池动态响应性能,结果如图1 0所示。图1 0 阶跃加载下不同湿度对燃料电池性能的影响为了直观显示燃料电池性能在电流阶跃加载下的工况,仅绘制47s的性能变化数据。由图1 0(a)所示,当电流阶跃突变时,电压先是直线下降然后缓慢下降最后趋于稳定,且随着相对湿度的增加,电压下降斜率也增大。因此增大相对湿度可以缩短电压响应时间。由图1 0(b)可知,当电流加载371 姚赵祎等:基于E I S的质子交换膜燃料电池输出性能优化 时,功率超调之后显示直线下降然后缓慢下降至趋于稳定,且湿度增加,下降斜率也随之增加。由图1 0(c)可知,电堆效率与电压趋势表现类似,随相对湿度的增加而增大。综上可得,在电流密度相同时,增大相对湿度可以改善电堆动态响应性能。3.3 试验验证为了验证温度与湿度对P EMF C输出性能的影响规律,在如图1 1所示的1 5kW电堆测试系统(全氟磺酸质子交换膜)上采用控制变量法进行电堆性能试验,其中测试平台内部有加湿、调温及调压装置。上位机界面可对进气参数、电堆信息及试验操作步骤进行设置,气体经上位机调节参数后进入电堆,测试电堆由3 0片单电池组成。电堆输出端接费思可编程电子负载,电子负载采用恒定加载速率策略。图1 1 1 5k W电堆测试系统测试之前首先设置电堆参数、开关机吹扫操作。采样频率设定为1H z;最小空气流量范围设定为1 0 010 0 0L/m i n,默认值为2 0 0L/m i n,氢气最小流量范围设定为5 03 0 0L/m i n,默认值为6 0L/m i n;设备允许阳极和阴极压力设定范围设定为9 04 0 0k P a;设备允许的阳极和阴极温度设定范围设定为室温9 0;开关机吹扫时间范围设定为136 0 0s;常规负载上升斜率为0.51 0A/s,负载下降斜率为-4 0-0.5A/s。设定阴、阳极计量比和温度保持不变,以恒定加载策略调节电子负载。待电子负载示数稳定后,调节进气压力和加湿度与仿真参数一致。实际测试下难以得到P EMF C内阻,P EMF C电压和功率的变化是电堆内阻影响的外在表现,因此可根据电压和功率进行分析。在恒定电流密度下进行试验得到电堆的输出电压和功率。对多次测量所得电压和功率取平均值,试验结果如图1 2和图1 3所示。由图1 2和图1 3可知,随着温度和相对湿度的增加,燃料电池电堆的输出电压和输出功率也在增加,试验结果与仿真结果一致,证明本文所建立仿真模型和理论分析的有效性,为后续的P EMF C性能优化提供一定的指导。4 结论通过建立P EMF C内阻和阴极E I S仿真模型,对电池内阻变化进行分析,研究了不同温度和相对湿度下燃料电池内阻和E I S变化,同时首次结合E I S考察不同温度和相对湿度对P EMF C动态特性471 科技和产业 第2 3卷 第1 8期 图1 2 不同温度下输出特性图1 3 不同相对湿度下输出特性的影响。主要结论如下。1)当燃料电池的工作压力和相对湿度不变,温度处于3 3 33 5 3K,温度升高使电堆内阻减小,输出电压和功率增大,在阶跃加载条件下的动态响应也有所提升,改善了电堆输出性能。2)当工作温度稳定在3 5 3K时,在水淹湿度以下,电堆的进气相对湿度越高,电堆内阻越小,电堆输出性能以及在阶跃加载条件下的动态响应性能越好。3)在1 5kW测试平台进行试验验证,其试验结果表明,燃料电池在温度为3 5 3K、1 0 0%加湿条件下内阻最小,电堆输出性能最优,验证了仿真温度与湿度对P EMF C输出性能的影响规律。参考文献1 C HUGHS,C HAUDHA R IC,S ONKA R K,e ta l.E x p e r i-m e n t a l a n dm o d e l l i n gs t u d i e so f l o wt e m p e r a t u r eP EMF Cp e r f o r m a n c eJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r-g y,2 0 2 0,4 5(1 5):8 8 6 6-8 8 7 4.2 张可健,曲大为,兰洪星,等.基于MA T L A B/S i m u l i n k的氢燃料电池系统建模与仿真J.科学技术与工程,2 0 2 1,2 1(1 3):5 3 8 0-5 3 8 6.3 蒙先攀,李超,雷涵,等.操作参数耦合对质子交换膜燃料电池性能影响的模拟研究J.科学技术与工程,2 0 2 0,2 0(7):2 7 1 1-2 7 1 8.4 田思思,刘郭存,刘绍俊,等.质子交换膜燃料电池堆建模与参数分析J.武汉理工大学学报,2 0 2 1,4 3(1):1 4-2 2.5 YAN GTF,S HE UBH,GHA L AMB A ZM,e ta l.E f f e c t so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dl o a d m o d eo nd y n a m i cc e l lp e r f o r m a n c eo fp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l lJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fE n e r g yR e s e a r c h,2 0 2 1,4 5(2):2 4 7 4-2 4 8 7.6 叶可,李君,曲大为,等.外界供给参数对P EMF C输出性能及水热 平 衡 的 影 响 J.可 再 生 能 源,2 0 2 1,3 9(1):1 9-2 4.7 GHA S A B EH IM,S HAM SM,KANAN IH.M u l t i-o b j e c-t i v eo p t i m i z a t i o no fo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa ne n h a n c e dp a r a l l e l f l o wf i e l dp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e l c e l lJ.E n e r g yC o n v e r s i o na n dM a n a g e m e n t,2 0 2 1,2 3 0:1 1 3 7 9 8.8 贾坤晗,姚圣卓,刘永峰,等.阳极相对湿度对质子交换膜燃料电池性能的影响J.中国科技论文,2 0 1 9,1 4(1 2):1 2-1 6.9 孙峰,苏丹丹,董小平,等.阴极压力对质子交换膜燃料电池输出性能的影响J.科学技术与工程,2 0 2 2,2 2(7):2 7 4 1-2 7 4 6.1 0 潘瑞.面向燃料电池外特性的老化行为建模及延寿策略研究D.合肥:中国科学技术大学,2 0 2 0.1 1 MO O T GUY P,L UDW I G B,B E R E T T A D,e ta l.S t u d yo ft h ei m p a c to fw a t e rm a n a g e m e n to nt h ep e r-f o r m a n c eo fP EMF Cc o mm e r c i a ls t a c k sb yi m p e d a n c es p e c t r o s c o p yJ.I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fH y d r o g e nE n e r-g y,2 0 2 0,4 5(3 3):1 6 7 2 4-1 6 7 3 7.1 2 迟晓妮,王振,卫东,等.基于内阻特性的燃料电池组件退化计算方法J.可再生能源,2 0 1 8,3 6(5):6 6 9-6 7 5.1 3 朱静,赵静欣.质子交换膜燃料电池系统数字孪生故障诊断 模 型 研 究 J.控 制 理 论 与 应 用,2 0 2 2,3 9(3):5 2 7-5 3 4.1 4 J U L L I ANG,C A D E TC,R O S I N I S,e t a l.F a u l t d e t e c t i o na n di s o l a t i o nf o rp r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ef u e lc e l lu s i n g i m p e d a n c em e a s u r e m e n t sa n dm u l t i p h y s i c sm o d e l-i n gJ.F u e lC e l l s,2 0 2 0,2 0(5):5 5 8-5 6 9.1 5 S O R R E NT I N O A,S UN DMA C HE R K,V I D AK OV I C-K O C H T.P o l y m e r e l e c t r o l y t e f u e l c e l l d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m sa n dt h e i rd i a g n o s i sb yf r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s m e t h o d s:a r e v i e wJ.E n e r g i e s,2 0 2 0,1 3(2 1):5 8 2 5.1 6 魏添,于蓬,薛彬,等.质子交换膜燃料电池的建模、仿真及特性研究J.农业装备与车辆工程,2 0 2 2(6):4 1-4 6.1 7 卫超强,武志斐,蒋栋.温度对质子交换膜燃料电池输出性能的影响J.可再生能源,2 0 2 1,3 9(1 2):1 5 8 8-1 5 9 3.1 8 邓美隆,刘宇航,张凯.物理参数对高温质子交换膜燃料571 姚赵祎等:基于E I S的质子交换膜燃料电池输出性能优化 电池性能的影响研究J.汽车工程师,2 0 2 3(3):1-7.1 9 王茹,沈永超,卫东,等.基于直流内阻和交流阻抗特性的P EMF C水管 理状态分析J.化工学报,2 0 2 0(7):3 2 4 7-3 2 5 7.O u t p u tP e r f o r m a n c eO p t i m i z a t i o no fP EMF CB a s e do nE I SYAOZ h a o y i,MOR o n g j i a,J I ANGD o n g,HAO H u i m i n,WUZ h i f e i(C o l l e g eo fM e c h a n i c a l a n dV e h i c l eE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T a i y u a n0 3 0 0 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e i n f l u e n c eo f p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e l c e l l(P EMF C)o u t p u t p e r f o r m a n c e i sm u l t i f a c e t e d.T h ep o l a r i z a t i o nc u r v e c a no n l yr e f l e c t t h es t e a d y-s t a t ee x t e r n a l o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so f t h e f u e l c e l l,b u t c a nn o t f u l l yr e f l e c t t h es p e c i f i c i n f l u e n c i n g f a c t o r s a n d l a w s.T h e r e-f o r e,i t i sn e c e s s a r yt os t u d yt h ed y n a m i cc h a n g e so f i t s i n t e r n a l p h y s i c a l p a r a m e t e r s.T h e i n t e r n a l r e s i s t a n c ea n dA Ci m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i cm o d e l so f t h es t a c kw e r ee s t a b l i s h e d,a n dt h ee l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c es p e c t r o s c o p y(E I S)w a su s e dt oa n a l y z e t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n t e r n a l r e s i s t a n c eo f t h e f u e l c e l l u n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa n dh u m i d i t y.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h e i n t e r n a l r e s i s t a n c eo f f u e l c e l ld e-c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s e o f t e m p e r a t u r e i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g e o f 3 3 33 5 3K;Wh e n t h e t e m p e r a t u r e i s c o n s t a n t,t h e i n c r e a s eo f r e l a t i v eh u-m i d i t yc a nr e d u c e t h e i n t e r n a l r e s i s t a n c eo f t h es t a c ka n de n h a n c e t h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo f t h e f u e l c e l l;F i n a l l y,t h ep e r f o r m a n c e t e s to nt h e1 5k wf u e l c e l l t e s tp l a t f o r mv e r i f i e s t h e c o r r e c t n e s so f t h e f u e l c e l l d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s,a n dp r o v i d e s t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r f u r t h e ro p t i m i z i n gt h eo u t p u tp e r f o r m a n c eo fP EMF C.K e y w o r d s:p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e f u e l c e l l(P EMF C);t e m p e r a t u r e;h u m i d i t y;i n t e r n a l r e s i s t a n c e;e q u i v a l e n tc i r c u i t;e l e c t r o c h e m i c a l i m p e-d a n c es p e c t r o s c o p y(E I S)671 科技和产业 第2 3卷 第1 8期