燃料電池測試系統的背壓、相對濕度、空氣化學計量比對測試結果的影響

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

解決掉PEMFC的高成本以及耐用性有限、穩定性差的問題，就成為了實現商業化應用的關鍵。

研究發現，PEMFC的性能與相對濕度、背壓、氫氣和氣體化學計量比、電池溫度等各種操作參數密切相關。

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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。可以發現，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。經過Zahner和Zview軟件解析發現不同背壓下，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，質子膜的加濕性和導電性得到改善，從而降低了歐姆電阻和陰極電荷轉移電阻。

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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。

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

圖4 不同相對濕度下PEMFC的電化學阻抗 (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。當相對濕度提高到70%時，陰極轉移電阻(R2)首先從8.34 mΩ下降到8.23 mΩ。相對濕度為80%和100%時，陰極轉移電阻繼續增大，分別達到9.32 mΩ和9.49 mΩ。

陽極電荷轉移電阻(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，從而影響離子電導率，從而產生更高的電池電阻。

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

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空氣化學計量比對PEMFC的極化曲線和EIS曲線的影響

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

當空氣化學計量從2.5變為3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，不同空氣化學計量比下，PEMFC在低電流密度區域和高電流密度區域性能呈現出差異性變化。

當進入流道的空氣流速增大時，電化學反應更平穩，整體性能更好。然而，在低電流密度范圍內，空氣化學計量比為2.5時表現出較好的性能。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 不同空氣化學計量比下的PEMFC的電化學阻抗（2.5、3、3.5）

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

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

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

陰極電荷轉移電阻隨著空氣化學計量比的增大而減小（圖6）。

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

當空氣化學計量量為3和3.5時，空氣供應充足，水管理得到改善，PEMFC的陰極轉移電阻也就幾乎保持恒定。

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結論

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、加快反應速度，從而改善整體性能。

研究還發現，相對濕度轉折點設置在70%時，可以平衡膜的干燥和水合作用，保持適當的電池含水量，避免局部水淹。同時，適度提高空氣化學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980pro

最后，研究中對背壓、相對濕度和空氣化學計量比與PEMFC極化曲線和阻抗的變化規律進行了探究，為相關研究提供了參考和依據。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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