燃料(liao)電池(chi)測試(shi)系(xi)統的(de)背(bei)壓(ya)、相對(dui)濕度(du)、空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比對(dui)測試(shi)結果的(de)影響

更(geng)新(xin)時(shi)間：2024-01-26

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聚(ju)合(he)物電解(jie)質(zhi)膜燃料(liao)電池(chi)(PEMFC)憑(ping)借高效、低排(pai)放的(de)優點被普遍認(ren)為是壹種(zhong)最(zui)有(you)前(qian)途的(de)能(neng)源設(she)備(bei)和(he)電力(li)運輸系(xi)統。

解(jie)決掉PEMFC的(de)高(gao)成本(ben)以(yi)及(ji)耐(nai)用性有(you)限、穩(wen)定(ding)性差的(de)問(wen)題(ti)，就(jiu)成(cheng)為了實現商(shang)業(ye)化應(ying)用的(de)關鍵。

研(yan)究發(fa)現，PEMFC的(de)性(xing)能(neng)與相對(dui)濕度(du)、背壓(ya)、氫(qing)氣和氣(qi)體化(hua)學計量比、電池(chi)溫度(du)等各種(zhong)操(cao)作參(can)數密切相關。

背壓(ya)對(dui)PEMFC的(de)極(ji)化曲線和(he)EIS曲(qu)線的(de)影響

圖(tu)1 不同背(bei)壓(ya)下(xia)PEMFC的(de)極(ji)化和功率(lv)密(mi)度曲線(0、0.3和(he)0.6 bar)

圖1中(zhong)顯(xian)示了0、0.3和0.6 bar背(bei)壓(ya)下(xia)，商(shang)業(ye)Pt/C（Johns Manville Corporation GM Pt/C）在25cm²的(de)PEMFC中(zhong)極(ji)化(hua)和(he)功(gong)率密度曲(qu)線。

隨著背壓(ya)從(cong)0到(dao)0.6 bar變化，PEMFC在0.4V電壓(ya)下(xia)電流(liu)密度(du)從1370 mA/cm²分別增加(jia)到(dao)1400 mA/cm²和(he)1450 mA/cm², 而(er)0.7V電壓(ya)下(xia)電流(liu)密度(du)從476 mA/cm²增加到(dao)588 mA/cm²和(he)708 mA/cm²。可以(yi)發(fa)現，PEMFC的(de)電流(liu)密度(du)隨著背壓(ya)增(zeng)大而(er)明(ming)顯(xian)增大。

圖2 不同背(bei)壓(ya)下(xia)PEMFC的(de)電化(hua)學(xue)阻抗(kang) (0、0.3和0.6 bar)

圖2中(zhong)顯(xian)示了0、0.3和0.6 bar背(bei)壓(ya)下(xia)，該(gai)PEMFC在0.8 V下頻率範(fan)圍(wei)為0.1Hz至10kHz的(de)阻(zu)抗圖譜。經(jing)過(guo)Zahner和Zview軟件解(jie)析(xi)發(fa)現不同背(bei)壓(ya)下(xia)，R1（歐姆電阻(zu)）從(cong)1.54 mΩ略微下(xia)降到(dao)1.52 mΩ，而(er)R2（陰(yin)極電荷傳遞(di)阻抗(kang)）從7.48 mΩ顯(xian)著(zhu)下(xia)降(jiang)到(dao)5.29 mΩ，最(zui)後降低至(zhi)3.48mΩ。相反的(de)是(shi)，R3（陽極電荷傳遞(di)阻抗(kang)）從0.76 mΩ增加到(dao)1.29 mΩ。

在不加背壓(ya)時(shi)，極化(hua)曲線(xian)顯(xian)示了壹個明顯(xian)的(de)歐(ou)姆極(ji)化電壓(ya)降(jiang)，這與阻(zu)抗(kang)圖譜中(zhong)顯(xian)示的(de)變化壹致(zhi)。

在較(jiao)高的(de)背(bei)壓(ya)下(xia)，使氣流(liu)飽和所需的(de)水(shui)，比低背(bei)壓(ya)下(xia)所需的(de)水(shui)少。證(zheng)實了較(jiao)高的(de)背(bei)壓(ya)下(xia)，質(zhi)子(zi)膜的(de)加(jia)濕性(xing)和導(dao)電性(xing)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)，從(cong)而(er)降(jiang)低了歐姆電阻(zu)和(he)陰(yin)極電荷轉(zhuan)移電阻(zu)。

相對(dui)濕度(du)對(dui)PEMFC的(de)極(ji)化曲線和(he)EIS曲(qu)線的(de)影響

圖(tu)3 不同相對(dui)濕度(du)下PEMFC的(de)極(ji)化和功率(lv)密(mi)度曲線 (64、70、80和(he)100%)

圖3顯(xian)示了0.3bar背壓(ya)下(xia)，PEMFC的(de)極(ji)化曲線和(he)能(neng)量密(mi)度在不同相對(dui)濕度(du)下的(de)變化。

當(dang)相對(dui)濕度(du)從64%增(zeng)加到(dao)70%時(shi)，0.4 V電壓(ya)下(xia)的(de)電流(liu)密度(du)從764 mA/cm²增加到(dao)790 mA/cm²，在0.7 V電壓(ya)下(xia)，從405 mA/cm²到(dao)453 mA/cm²。

然(ran)而(er)，在相對(dui)濕度(du)從70%到(dao)80%再(zai)到(dao)100%的(de)情(qing)況下，0.4 V電壓(ya)下(xia)電流(liu)密度(du)分別降至(zhi)744和(he)588 mA/cm², 0.7 V電壓(ya)下(xia)電流(liu)密度(du)分別降至(zhi)424和(he)364 mA/cm²。

可以(yi)發(fa)現，在同壹背(bei)壓(ya)下(xia)，PEMFC的(de)電流(liu)密度(du)隨著相對(dui)濕度(du)升(sheng)高呈現出先增(zeng)大後(hou)減(jian)小(xiao)的(de)趨(qu)勢。

圖(tu)4 不同相對(dui)濕度(du)下PEMFC的(de)電化(hua)學(xue)阻抗(kang) (64、70、80和100%)

通過擬(ni)合(he)解(jie)析(xi)可知(zhi)，在不同的(de)相對(dui)濕度(du)下，PEMFC的(de)歐(ou)姆阻(zu)抗（R1）都在1.92 mΩ間波動(dong)。當相對(dui)濕度(du)提高(gao)到(dao)70%時(shi)，陰(yin)極轉(zhuan)移電阻(zu)(R2)首(shou)先從(cong)8.34 mΩ下降(jiang)到(dao)8.23 mΩ。相對(dui)濕度(du)為80%和100%時(shi)，陰(yin)極轉(zhuan)移電阻(zu)繼(ji)續增(zeng)大，分別達(da)到(dao)9.32 mΩ和(he)9.49 mΩ。

陽極電荷轉(zhuan)移電阻(zu)(R3)也有(you)類(lei)似(si)的(de)變化趨(qu)勢，相對(dui)濕度(du)在64%時(shi)為1.19 mΩ，為70%時(shi)達(da)到(dao)低值(zhi)0.54 mΩ，在80%時(shi)為2.48 mΩ，在100%時(shi)為3.24 mΩ。

在相對(dui)濕度(du)為64%時(shi)，Nafion型(xing)膜無法吸(xi)收足夠的(de)水(shui)分以(yi)獲(huo)得(de)適配(pei)的(de)水(shui)合作(zuo)用，從而(er)影響離(li)子電導(dao)率(lv)，從而(er)產(chan)生(sheng)更(geng)高的(de)電池(chi)電阻(zu)。

當(dang)相對(dui)濕度(du)從70%增(zeng)加到(dao)100%時(shi)，陰(yin)極和(he)陽(yang)極電荷轉(zhuan)移電阻(zu)急(ji)劇增(zeng)加(jia)，造(zao)成PEMFC性(xing)能(neng)急(ji)劇下(xia)降(jiang)。

空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比對(dui)PEMFC的(de)極(ji)化曲線和(he)EIS曲(qu)線的(de)影響

圖(tu)5 不同空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比下PEMFC的(de)極(ji)化和功率(lv)密(mi)度曲線 (2.5、3、3.5)

當(dang)空氣(qi)化(hua)學(xue)計量從(cong)2.5變為3和3.5時(shi)，0.7V電壓(ya)下(xia)的(de)電流(liu)密度(du)從621 mA/cm²變化到(dao)584 mA/cm²和(he)598 mA/cm²，0.4V電壓(ya)下(xia)的(de)電流(liu)密度(du)從1417 mA/cm²增加到(dao)1564 mA/cm²和(he)1686 mA/cm²。

由此可見(jian)，不(bu)同空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比下，PEMFC在低電流(liu)密度(du)區(qu)域和(he)高電流(liu)密度(du)區(qu)域性(xing)能(neng)呈現出差異性(xing)變化。

當(dang)進入流(liu)道的(de)空氣(qi)流(liu)速增(zeng)大(da)時(shi)，電化(hua)學(xue)反應(ying)更(geng)平穩(wen)，整體性(xing)能(neng)更(geng)好。然而(er)，在低電流(liu)密度(du)範圍(wei)內(nei)，空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比為2.5時(shi)表現出較(jiao)好的(de)性(xing)能(neng)。這可(ke)能(neng)是由(you)於流(liu)速較(jiao)慢(man)，水(shui)合條(tiao)件較(jiao)好，對(dui)空氣(qi)量(liang)的(de)需求(qiu)較(jiao)低。

圖(tu)6 不同空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比下的(de)PEMFC的(de)電化(hua)學(xue)阻抗(kang)（2.5、3、3.5）

不同空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比下，歐(ou)姆電阻(zu)（R1）和(he)陽極(ji)電荷轉(zhuan)移電阻(zu)（R3）基(ji)本(ben)保持(chi)穩(wen)定(ding)，分別為1.59 mΩ和2.38 mΩ左右。

空氣(qi)化(hua)學(xue)計量量(liang)為2.5時(shi)陰(yin)極電荷轉(zhuan)移電阻(zu)最(zui)高，隨(sui)著空氣(qi)化(hua)學(xue)計量量(liang)從3提高(gao)到(dao)3.5，陰(yin)極電荷轉(zhuan)移電阻(zu)從(cong)5.36 mΩ僅變化到(dao)5.5 mΩ，幾(ji)乎(hu)無變化。

當(dang)空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比由2.5變化至(zhi)3.5時(shi)，PEMFC在高電流(liu)密度(du)範圍(wei)內(nei)的(de)性(xing)能(neng)得(de)到(dao)明(ming)顯(xian)改(gai)善(shan)，而(er)在低電流(liu)密度(du)範圍(wei)內(nei)的(de)效果(guo)不太明(ming)顯(xian)。

陰(yin)極電荷轉(zhuan)移電阻(zu)隨(sui)著空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比的(de)增(zeng)大而(er)減(jian)小(xiao)（圖6）。

可(ke)以(yi)推(tui)斷，在空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比為2.5，空氣(qi)含(han)量(liang)相對(dui)不足(zu)，大(da)多(duo)數電流(liu)密度(du)範圍(wei)內(nei)，自(zi)產水(shui)較(jiao)少和(he)膜的(de)含(han)水(shui)量較(jiao)低，使(shi)得(de)膜的(de)離(li)子電導(dao)率(lv)相對(dui)較(jiao)低。

當(dang)空氣(qi)化(hua)學(xue)計量量(liang)為3和3.5時(shi)，空氣(qi)供(gong)應(ying)充(chong)足(zu)，水(shui)管理(li)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)，PEMFC的(de)陰(yin)極轉(zhuan)移電阻(zu)也就幾(ji)乎(hu)保持(chi)恒定。

結論(lun)

燃料(liao)電池(chi)的(de)背(bei)壓(ya)對(dui)其(qi)性能(neng)有(you)著重(zhong)要(yao)影響。背(bei)壓(ya)較(jiao)高時(shi)，可以(yi)提高(gao)濕化(hua)率、降(jiang)低阻(zu)力(li)損(sun)失、加快(kuai)反(fan)應(ying)速度(du)，從(cong)而(er)改(gai)善(shan)整體性(xing)能(neng)。

研(yan)究還發(fa)現，相對(dui)濕度(du)轉(zhuan)折點設(she)置在70%時(shi)，可以(yi)平衡(heng)膜的(de)幹(gan)燥和水(shui)合作(zuo)用，保持(chi)適當(dang)的(de)電池(chi)含(han)水(shui)量，避(bi)免(mian)局(ju)部(bu)水(shui)淹。同時(shi)，適度(du)提高(gao)空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比可以(yi)改(gai)善(shan)燃料(liao)電池(chi)的(de)整體性(xing)能(neng)和低電壓(ya)空間電流(liu)。

燃料(liao)電池(chi)測試(shi)系(xi)統980pro

最後(hou)，研(yan)究中(zhong)對(dui)背壓(ya)、相對(dui)濕度(du)和空氣(qi)化(hua)學(xue)計量比與PEMFC極(ji)化(hua)曲(qu)線和阻(zu)抗(kang)的(de)變化規(gui)律(lv)進行(xing)了探究，為相關研(yan)究提供(gong)了參考(kao)和(he)依(yi)據(ju)。但(dan)不同MEA實(shi)際(ji)的(de)變化趨(qu)勢和(he)測試(shi)需求(qiu)可(ke)能(neng)不同，因(yin)此未(wei)來還需更(geng)多(duo)樣(yang)本(ben)的(de)多(duo)樣(yang)化(hua)研(yan)究。

參考(kao)文獻

[1] Zhang,Q,Lin,et al.Experimental study of variable operating parameters effects on overall PEMFC performance and spatial performance distribution[J].ENERGY -OXFORD-, 2016.

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