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PEM燃料電池的運行和電池性能的影響

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年04月04日  

高溫聚合物電解質膜(HT-PEM)燃料電池的特有優勢使其具有優異的發展前景,HT-PEM燃料電池不依賴液態水來提供質子傳導性,因此,HT-PEM燃料電池中的水管理可以大大簡化。但是水蒸氣的存在仍然影響HT-PEM燃料電池的操作。此外,HT-PEM燃料電池通常不供給干燥氣體,其通常與輕型化石燃料重整器集成在一起提高燃料靈活性。雖然管理HT-PEM燃料電池不依賴于加濕入口氣體,但是在重整氣體中發現水蒸氣送入HT-PEM燃料電池。重整氣通常由體積百分比為65-75%的H2、體積百分比為15-25%的CO2、體積百分比為5-15%的水、體積百分比為1-3%的CO和微量的其它雜質組成。因此,水對HT-PEM燃料電池的運行和電池性能的影響值得研究。


【工作介紹】


一些研究者研究了HT-PEM燃料電池在不同加濕條件下的性能。然而,實驗結果顯示出很大的差異。由于入口氣體濕度對HT-PEM燃料電池性能影響的復雜性以及文獻報道的陽極增濕實驗結果的差異,近日,丹麥奧爾堡大學能源技術系F.Zhou,D.Singdeo,S.KnudsenK?r三人本工作系統研究了H2中的水含量對HT-PEM電池性能在不同的工作溫度下研究燃料電池的影響。


結果表明,在不同的工作溫度下,陽極增濕對電池性能的影響是不同的。在較低的工作溫度140℃下,隨著含水量的增加,電池性能逐漸降低,陽極增濕會降低電池性能,特別是70℃的高陽極露點溫度下。在160℃的工作溫度下,當陽極露點溫度從室溫升高到50℃時,電池性能會提高,當陽極露點溫度進一步升高到70℃時,電池性能會略有下降,但在H2中水含量實現了最佳的電池性能。而在高工作溫度下在180℃時,隨著含水量的增加,電池性能顯示出增加的趨勢。


通過測量HT-PEM燃料電池的阻抗譜圖,分析了在不同的工作溫度下陽極加濕對電池性能的影響的原因。在所有操作溫度下,隨著陽極露點溫度的升高,歐姆電阻因磷酸質子傳導性的增加而略微降低,而傳質電阻因H2濃度降低而增加。隨著陽極露點溫度的升高,電荷轉移電阻的變化比歐姆電阻和質量轉移電阻的變化更顯著,并且受操作溫度的影響。在140℃和160℃的工作溫度下,電荷轉移電阻首先降低,然后隨著陽極露點溫度的升高而增加。在180℃的較高工作溫度下,電荷轉移電阻呈現下降趨勢。不同操作溫度下電荷轉移電阻的變化差異與酸水合水平的溫度和通過膜的水轉移的影響有關,這可能是不同操作溫度下H2濕度水平對電池性能影響差異的原因。這項工作的發現意味著,當HT-PEM燃料電池在低工作溫度下工作時,陽極氣體中的水分含量應該最小化,以避免電池性能損失。該文章發表工程類FuelCells期刊上。


【詳細內容】


本工作采用了一種基于丹麥電力系統MEA的HT-PEM單電池,有效面積為46.5cm(DapozolG77)。實驗在Greenlight(GreenlightInnovation,加拿大)燃料電池測試站進行,該測試站可以控制操作溫度、反應物化學計量、反應物相對濕度。通過使用鼓泡增濕器調節反應物的露點溫度(TDP)來控制反應物的濕度水平。在該工作中,在不同的操作溫度和不同的陽極露點溫度(TDP,a)下測量和記錄電池性能。在不同的操作溫度(140℃,160℃和180℃)下,陽極露點溫度從室溫(23℃)升至50℃和70℃。


作者為了更深入地了解不同陽極加濕條件下燃料電池內阻的變化,測量了燃料電池的阻抗譜,在所有工作溫度下,歐姆電阻隨著陽極露點溫度的增加而降低,因為當陽極濕度水平增加時,頻譜與高頻范圍內的x軸的交點會向較低的電阻值移動。這可以通過當陽極氣體中的水含量增加時酸稀釋所帶來的磷酸摻雜膜的質子傳導性的提高來解釋。在140℃的工作溫度下,極化電阻隨著陽極露點溫度的升高而增加。在160℃的工作溫度下,當陽極露點溫度上升到50℃時,極化電阻下降,當陽極露點溫度進一步上升到70°C時,極化電阻略有上升。而在180℃的工作溫度下,極化電阻隨著陽極露點溫度的上升單調下降。HT-PEM燃料電池極化電阻的變化顯示出與所有工作溫度下(從140℃到180℃)不同陽極露點溫度下電池性能變化相同的趨勢,這表明陽極加濕對極化電阻的影響是不同陽極濕度水平下電池性能變化的主要原因。


對于固定蒸汽壓,磷酸濃度隨著溫度的升高而增加。因此,在180℃的操作溫度下,MEA中的酸濃度低于140℃的操作溫度,陽極露點溫度為室溫。圖還顯示,對于固定的操作溫度,較高的水分壓會導致較低的酸濃度。因此,在兩種操作溫度下,由于陽極露點溫度升高而導致的水分壓升高會導致酸-水混合物體積的增加。隨著本工作中陽極露點溫度的升高導致酸中水含量的增加,對質子轉移的貢獻增加。在這種情況下,質子由水陽離子(H3O+)形式的水分子攜帶。因此,從陽極到陰極的水通量增加。這可能導致陽極中的水耗盡和陰極中的水溢出,并因此導致電荷轉移電阻的增加。然而,在180℃的較高操作溫度下,膜和催化劑層中的酸濃度低于140℃的操作溫度。由于焦磷酸(H4P2O7)的形成,酸濃度甚至可以高于100%。在這種情況下,由于一些水參與焦磷酸的水合作用,陽極增濕帶來的含水量增加不會太大程度上增加質子轉移。因此,在180℃的工作溫度下,陽極增濕不會顯著增加通過膜的水傳輸。

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