燃料電池測試系統(tǒng)的背壓、相對濕度、空氣化學(xué)計量比對測試結(jié)果的影響

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)憑借高效、低排放的優(yōu)點被普遍認為是一種最有前途的能源設(shè)備和電力運輸系統(tǒng)。

解決掉PEMFC的高成本以及耐用性有限、穩(wěn)定性差的問題，就成為了實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)，PEMFC的性能與相對濕度、背壓、氫氣和氣體化學(xué)計量比、電池溫度等各種操作參數(shù)密切相關(guān)。

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背壓對PEMFC的極化曲線和EIS曲線的影響

圖1 不同背壓下PEMFC的極化和功率密度曲線(0、0.3和0.6 bar)

圖1中顯示了0、0.3和0.6 bar背壓下，商業(yè)Pt/C（Johns Manville Corporation GM Pt/C）在25cm2的PEMFC中極化和功率密度曲線。

隨著背壓從0到0.6 bar變化，PEMFC在0.4V電壓下電流密度從1370 mA/cm2分別增加到1400 mA/cm2和1450 mA/cm2, 而0.7V電壓下電流密度從476 mA/cm2增加到588 mA/cm2和708 mA/cm2?？梢园l(fā)現(xiàn)，PEMFC的電流密度隨著背壓增大而明顯增大。

圖2 不同背壓下PEMFC的電化學(xué)阻抗 (0、0.3和0.6 bar)

圖2中顯示了0、0.3和0.6 bar背壓下，該PEMFC在0.8 V下頻率范圍為0.1Hz至10kHz的阻抗圖譜。經(jīng)過Zahner和Zview軟件解析發(fā)現(xiàn)不同背壓下，R1（歐姆電阻）從1.54 mΩ略微下降到1.52 mΩ，而R2（陰極電荷傳遞阻抗）從7.48 mΩ顯著下降到5.29 mΩ，最后降低至3.48mΩ。相反的是，R3（陽極電荷傳遞阻抗）從0.76 mΩ增加到1.29 mΩ。

在不加背壓時，極化曲線顯示了一個明顯的歐姆極化電壓降，這與阻抗圖譜中顯示的變化一致。

在較高的背壓下，使氣流飽和所需的水，比低背壓下所需的水少。證實了較高的背壓下，質(zhì)子膜的加濕性和導(dǎo)電性得到改善，從而降低了歐姆電阻和陰極電荷轉(zhuǎn)移電阻。

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相對濕度對PEMFC的極化曲線和EIS曲線的影響

圖3 不同相對濕度下PEMFC的極化和功率密度曲線 (64、70、80和100%)

圖3顯示了0.3bar背壓下，PEMFC的極化曲線和能量密度在不同相對濕度下的變化。

當(dāng)相對濕度從64%增加到70%時，0.4 V電壓下的電流密度從764 mA/cm2增加到790 mA/cm2，在0.7 V電壓下，從405 mA/cm2到453 mA/cm2。

然而，在相對濕度從70%到80%再到100%的情況下，0.4 V電壓下電流密度分別降至744和588 mA/cm2, 0.7 V電壓下電流密度分別降至424和364 mA/cm2。

可以發(fā)現(xiàn)，在同一背壓下，PEMFC的電流密度隨著相對濕度升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖4 不同相對濕度下PEMFC的電化學(xué)阻抗 (64、70、80和100%)

通過擬合解析可知，在不同的相對濕度下，PEMFC的歐姆阻抗（R1）都在1.92 mΩ間波動。當(dāng)相對濕度提高到70%時，陰極轉(zhuǎn)移電阻(R2)首先從8.34 mΩ下降到8.23 mΩ。相對濕度為80%和100%時，陰極轉(zhuǎn)移電阻繼續(xù)增大，分別達到9.32 mΩ和9.49 mΩ。

陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻(R3)也有類似的變化趨勢，相對濕度在64%時為1.19 mΩ，為70%時達到低值0.54 mΩ，在80%時為2.48 mΩ，在100%時為3.24 mΩ。

在相對濕度為64%時，Nafion型膜無法吸收足夠的水分以獲得適配的水合作用，從而影響離子電導(dǎo)率，從而產(chǎn)生更高的電池電阻。

當(dāng)相對濕度從70%增加到100%時，陰極和陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻急劇增加，造成PEMFC性能急劇下降。

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空氣化學(xué)計量比對PEMFC的極化曲線和EIS曲線的影響

圖5 不同空氣化學(xué)計量比下PEMFC的極化和功率密度曲線 (2.5、3、3.5)

當(dāng)空氣化學(xué)計量從2.5變?yōu)?和3.5時，0.7V電壓下的電流密度從621 mA/cm2變化到584 mA/cm2和598 mA/cm2，0.4V電壓下的電流密度從1417 mA/cm2增加到1564 mA/cm2和1686 mA/cm2。

由此可見，不同空氣化學(xué)計量比下，PEMFC在低電流密度區(qū)域和高電流密度區(qū)域性能呈現(xiàn)出差異性變化。

當(dāng)進入流道的空氣流速增大時，電化學(xué)反應(yīng)更平穩(wěn)，整體性能更好。然而，在低電流密度范圍內(nèi)，空氣化學(xué)計量比為2.5時表現(xiàn)出較好的性能。這可能是由于流速較慢，水合條件較好，對空氣量的需求較低。

圖6 不同空氣化學(xué)計量比下的PEMFC的電化學(xué)阻抗（2.5、3、3.5）

不同空氣化學(xué)計量比下，歐姆電阻（R1）和陽極電荷轉(zhuǎn)移電阻（R3）基本保持穩(wěn)定，分別為1.59 mΩ和2.38 mΩ左右。

空氣化學(xué)計量量為2.5時陰極電荷轉(zhuǎn)移電阻最高，隨著空氣化學(xué)計量量從3提高到3.5，陰極電荷轉(zhuǎn)移電阻從5.36 mΩ僅變化到5.5 mΩ，幾乎無變化。

當(dāng)空氣化學(xué)計量比由2.5變化至3.5時，PEMFC在高電流密度范圍內(nèi)的性能得到明顯改善，而在低電流密度范圍內(nèi)的效果不太明顯。

陰極電荷轉(zhuǎn)移電阻隨著空氣化學(xué)計量比的增大而減?。▓D6）。

可以推斷，在空氣化學(xué)計量比為2.5，空氣含量相對不足，大多數(shù)電流密度范圍內(nèi)，自產(chǎn)水較少和膜的含水量較低，使得膜的離子電導(dǎo)率相對較低。

當(dāng)空氣化學(xué)計量量為3和3.5時，空氣供應(yīng)充足，水管理得到改善，PEMFC的陰極轉(zhuǎn)移電阻也就幾乎保持恒定。

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結(jié)論

燃料電池的背壓對其性能有著重要影響。背壓較高時，可以提高濕化率、降低阻力損失、加快反應(yīng)速度，從而改善整體性能。

研究還發(fā)現(xiàn)，相對濕度轉(zhuǎn)折點設(shè)置在70%時，可以平衡膜的干燥和水合作用，保持適當(dāng)?shù)碾姵睾?，避免局部水淹。同時，適度提高空氣化學(xué)計量比可以改善燃料電池的整體性能和低電壓空間電流。

燃料電池測試系統(tǒng)980pro

最后，研究中對背壓、相對濕度和空氣化學(xué)計量比與PEMFC極化曲線和阻抗的變化規(guī)律進行了探究，為相關(guān)研究提供了參考和依據(jù)。但不同MEA實際的變化趨勢和測試需求可能不同，因此未來還需更多樣本的多樣化研究。

參考文獻

[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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