燃料电池测试系统的背压、相对湿度、空气化学计量比对测试结果的影响

聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)凭借高效、低排放的优点被普遍认为是一种最有前途的能源设备和电力运输系统。

解决掉PEMFC的高成本以及耐用性有限、稳定性差的问题，就成为了实现商业化应用的关键。

研究发现，PEMFC的性能与相对湿度、背压、氢气和气体化学计量比、电池温度等各种操作参数密切相关。

1、背压对PEMFC的极化曲线和EIS曲线的影响

图1 不同背压下PEMFC的极化和功率密度曲线(0、0.3和0.6 bar)

图1中显示了0、0.3和0.6 bar背压下，商业Pt/C（Johns Manville Corporation GM Pt/C）在25cm²的PEMFC中极化和功率密度曲线。

随着背压从0到0.6 bar变化，PEMFC在0.4V电压下电流密度从1370 mA/cm²分别增加到1400 mA/cm²和1450 mA/cm², 而0.7V电压下电流密度从476 mA/cm²增加到588 mA/cm²和708 mA/cm²。可以发现，PEMFC的电流密度随着背压增大而明显增大。

图2 不同背压下PEMFC的电化学阻抗 (0、0.3和0.6 bar)

图2中显示了0、0.3和0.6 bar背压下，该PEMFC在0.8 V下频率范围为0.1Hz至10kHz的阻抗图谱。经过Zahner和Zview软件解析发现不同背压下，R1（欧姆电阻）从1.54 mΩ略微下降到1.52 mΩ，而R2（阴极电荷传递阻抗）从7.48 mΩ显著下降到5.29 mΩ，最后降低至3.48mΩ。相反的是，R3（阳极电荷传递阻抗）从0.76 mΩ增加到1.29 mΩ。

在不加背压时，极化曲线显示了一个明显的欧姆极化电压降，这与阻抗图谱中显示的变化一致。

在较高的背压下，使气流饱和所需的水，比低背压下所需的水少。证实了较高的背压下，质子膜的加湿性和导电性得到改善，从而降低了欧姆电阻和阴极电荷转移电阻。

2、相对湿度对PEMFC的极化曲线和EIS曲线的影响

图3 不同相对湿度下PEMFC的极化和功率密度曲线 (64、70、80和100%)

图3显示了0.3bar背压下，PEMFC的极化曲线和能量密度在不同相对湿度下的变化。

当相对湿度从64%增加到70%时，0.4 V电压下的电流密度从764 mA/cm²增加到790 mA/cm²，在0.7 V电压下，从405 mA/cm²到453 mA/cm²。

然而，在相对湿度从70%到80%再到100%的情况下，0.4 V电压下电流密度分别降至744和588 mA/cm², 0.7 V电压下电流密度分别降至424和364 mA/cm²。

可以发现，在同一背压下，PEMFC的电流密度随着相对湿度升高呈现出先增大后减小的趋势。

图4 不同相对湿度下PEMFC的电化学阻抗 (64、70、80和100%)

通过拟合解析可知，在不同的相对湿度下，PEMFC的欧姆阻抗（R1）都在1.92 mΩ间波动。当相对湿度提高到70%时，阴极转移电阻(R2)首先从8.34 mΩ下降到8.23 mΩ。相对湿度为80%和100%时，阴极转移电阻继续增大，分别达到9.32 mΩ和9.49 mΩ。

阳极电荷转移电阻(R3)也有类似的变化趋势，相对湿度在64%时为1.19 mΩ，为70%时达到最低值0.54 mΩ，在80%时为2.48 mΩ，在100%时为3.24 mΩ。

在相对湿度为64%时，Nafion型膜无法吸收足够的水分以获得适配的水合作用，从而影响离子电导率，从而产生更高的电池电阻。

当相对湿度从70%增加到100%时，阴极和阳极电荷转移电阻急剧增加，造成PEMFC性能急剧下降。

3、空气化学计量比对PEMFC的极化曲线和EIS曲线的影响

图5 不同空气化学计量比下PEMFC的极化和功率密度曲线 (2.5、3、3.5)

当空气化学计量从2.5变为3和3.5时，0.7V电压下的电流密度从621 mA/cm²变化到584 mA/cm²和598 mA/cm²，0.4V电压下的电流密度从1417 mA/cm²增加到1564 mA/cm²和1686 mA/cm²。

由此可见，不同空气化学计量比下，PEMFC在低电流密度区域和高电流密度区域性能呈现出差异性变化。

当进入流道的空气流速增大时，电化学反应更平稳，整体性能更好。然而，在低电流密度范围内，空气化学计量比为2.5时表现出较好的性能。这可能是由于流速较慢，水合条件较好，对空气量的需求较低。

图6 不同空气化学计量比下的PEMFC的电化学阻抗（2.5、3、3.5）

不同空气化学计量比下，欧姆电阻（R1）和阳极电荷转移电阻（R3）基本保持稳定，分别为1.59 mΩ和2.38 mΩ左右。

空气化学计量量为2.5时阴极电荷转移电阻最高，随着空气化学计量量从3提高到3.5，阴极电荷转移电阻从5.36 mΩ仅变化到5.5 mΩ，几乎无变化。

当空气化学计量比由2.5变化至3.5时，PEMFC在高电流密度范围内的性能得到明显改善，而在低电流密度范围内的效果不太明显。

阴极电荷转移电阻随着空气化学计量比的增大而减小（图6）。

可以推断，在空气化学计量比为2.5，空气含量相对不足，大多数电流密度范围内，自产水较少和膜的含水量较低，使得膜的离子电导率相对较低。

当空气化学计量量为3和3.5时，空气供应充足，水管理得到改善，PEMFC的阴极转移电阻也就几乎保持恒定。

4、结论

燃料电池的背压对其性能有着重要影响。背压较高时，可以提高湿化率、降低阻力损失、加快反应速度，从而改善整体性能。

研究还发现，相对湿度转折点设置在70%时，可以平衡膜的干燥和水合作用，保持适当的电池含水量，避免局部水淹。同时，适度提高空气化学计量比可以改善燃料电池的整体性能和低电压空间电流。

燃料电池测试系统980pro

最后，研究中对背压、相对湿度和空气化学计量比与PEMFC极化曲线和阻抗的变化规律进行了探究，为相关研究提供了参考和依据。但不同MEA实际的变化趋势和测试需求可能不同，因此未来还需更多样本的多样化研究。

参考文献

[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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