串联PEM燃料电池和AEM燃料电池实现自增湿设计的实验和理论研究

2021-11-15

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472103549X

前言

根据质子交换膜燃料电池和碱性阴离子交换膜燃料电池各自不同的产水特性，其中质子交换膜燃料电池的水在阴极处产生，而碱性阴离子交换膜燃料电池的水在阳极产生。综合考虑可以进行适当的改进措施，合理利用两种电池的产水。因此，本实验构思了一种新型的自增湿策略，即将两种燃料电池串联至一个系统，此时相对较干的气体先流过某一燃料电池的产水侧，然后携带电池产水后变得相对湿润，然后这股新形成的湿润气流将润湿下游的电池。例如图1所示，相对干的氧气流经了PEMFC的阴极，由于PEMFC的阴极通过反应会产水，且当地对水的需求和敏感程度相对较低，干燥的气体携带了PEMFC产水后流至AEMFC，这些水将用于AEMFC的阴极反应。反之亦然，对于阳极较干的氢气，将以逆流的形式先通过AEMFC，此时的阳极产水且对水的需求也处于一个相对较低的程度，因此生成的水将润湿氢气，并作用于下游的PEMFC。通过燃料电池半反应得知，燃料电池的产水量与其反应程度成正比，作用到对外输出即电池的电流越大，产水越多，因此通过这类燃料电池串联自增湿的策略得到更好的电池性能。

图 1 燃料电池串联自增湿原理图

实验性能

在PEMFC处于小负载0.8 A cm-2的工况下，随着AEMFC电流的增大，PEMFC的性能也随之提高，如图2 (a, e) 所示，电压提高了约0.02 V。此工况下的趋势与平行流道的小负载性能变化相似，此时PEMFC电压随着AEMFC电流的变化几乎是线性的，由于AEMFC的性能上限有限，所以并没有探讨出PEMFC性能增长的停滞点。从EIS图2 (c, h) 可以明显看出，氢气进气经过AEMFC后，形成了更加湿润的气流，帮助降低了PEMFC的欧姆阻抗。在相对湿度较低的条件下，由于膜本身是需要水来促进质子转移的，如果膜足够干燥，特别是流道从平行流道的多通道变为蛇形单通道，产水更容易排出，串联自增湿系统提供了加湿措施，因此小负荷性能得到了提高。

在PEMFC的1.6 A cm-2负载下，性能利好的发展趋势仍然继续。无串联自增湿和其最大作用的跨度可达0.04 V，且从趋势的走向看图2 (b, f) ，仍然有上升的潜力。在EIS图2 (d, i) 中，此负载情况下欧姆阻抗仍然减小。不同的是这里的活化阻抗和浓度阻抗，当AEMFC不工作时，EIS曲线显示初现的浓度阻抗实际上意味着工质-氢气或氧气的缺乏。但当AEMFC工作在4 A时，即总电流整体上升后，浓度阻抗却逐渐消失。所以在这种阴阳极气体充足的情况下，提高AEMFC的电流反而缓解PEMFC的浓度阻抗，则是典型的由于低湿度引起的质子转移问题。随着AEMFC电流的增加，在阳极水蒸气的整体水平得到提高，此时PEMFC阴阳极的水浓度差则会减小，因此更多的水得以保存在阴极，帮助三相反应位点的构成，进而缓解阴极活化损失，性能提高。即串联自增湿系统缓解了PEMFC的活化阻抗，与EIS图上活化阻抗整体微微下降相呼应。

在2.4 A cm-2负载下，PEMFC发生了最理想的变化，即通过燃料电池串联自增湿系统，PEMFC的性能发生了在0.12 V的电压范围、1.8 W的功率范围性能的提升，图2(g) ，在低外部加湿环境下获得了较好的性能。根据该工况的EIS图2 (j) ，欧姆阻抗和阴极活化阻抗同时减小。此外，AEMFC不工作时的浓度阻抗与其在10 A时的浓度阻抗完全不同，证明了燃料电池串联自增湿系统在缓解这三种阻抗方面的潜力。在低湿度导致的阳极缺水条件下，PEMFC工作时与水相关的三种阻抗会与上游因AEMFC产水所湿润的气流产生相互作用。在2.4 A cm-2的大负荷下，对于PEMFC的阳极侧来说，质子转移所需的水严重不足。在两侧水的浓度梯度较大的作用下，PEMFC阴极侧产水将倾向于扩散到阳极，此过程同样会减弱质子传递。在膜的层面，外部环境导致了相对干燥的恶劣条件，且由于电流反应较大，对膜内的质子转移通道提出了更大的要求，如果阳极侧的质子不能获得更多的通道，欧姆阻抗会变大。因此，当AEMFC的电流逐渐增加时，上游提供给PEMFC更加湿润的气体，这三种损耗同时减小。

图 2 蛇行流道PEMFC特性曲线

串联自增湿系统准二维仿真模型

为了更充分的了解串联自增湿过程中水和工质的传输情况，本节建立了单流道准二维瞬态模型，对标10%外部加湿条件下三种负载，在与实验结果进行对照后，探讨串联自增湿系统中水/气分布的情况和优化方向。

在燃料电池串联自增湿系统中，阴阳极进气采用逆流的方式：阴极的氧气先经过PEMFC，并携带产水前往AEMFC，用于润湿膜并参与AEMFC的反应；阳极的氢气先经过AEMFC，并携带产水前往PEMFC。模型概念图如3所示，在系统网格中，蓝色的区域代表PEMFC，红色的区域代表AEMFC，最上和最下的灰色区域为气体流道，为两块电池共同使用，在两块电池交接处视为绝缘且无气体传输，即气体只通过流道传输。

图 3 准二维仿真模型示意图

本节对照了相对湿度10%，PEMFC处于2.4 A cm-2时实验结果与计算结果中性能变化和欧姆阻抗，结果良好。

图 4 相对湿度10%，2.4 A cm-2，实验与仿真计算结果对照：(a) 性能；(b) 欧姆阻抗

对于阴极而言，由于2.4 A cm-2的负载已经消耗了大部分的氧气，因此在AEMFC处氧气的浓度已经处于一个较低水平，随着AEMFC负载的提升，氧气本身的枯竭可能会导致AEMFC性能的下降，因此需要一个合理的工质流量设置以匹配串联自增湿系统。对于阳极而言，实验的设置值导致了偏大的化学计量比，因此在阳极侧并未出现工质的缺乏，这也是在此工况时，并未出现严重浓度阻抗。对于氢气的消耗，随着AEMFC整体的性能得到提高，可预见的现象是，阳极的PEMFC发生和阴极AEMFC相似的情况，即浓度的减少使得进气浓度布局发生恶性变化。

此外，纵向对比工质的使用情况可以看出，如图5所示：沿阴极氧气进气方向的氧气浓度的差别随着PEMFC电流密度的增加逐渐增大。对于AEMFC的影响是在其处于三种工况下时，对应的氧气浓度是阶梯下降的，这与以AEMFC为研究对象时的实验结果相符。

图 5 PEMFC 2.4 A cm-2反应气体 (H2/O2) 浓度分布

(a) AEMFC 0 A cm-2; (b) AEMFC 0.12 A cm-2; (c) AEMFC 0.24 A cm-2

对于此工况条件下的水蒸气浓度分布如图6所示，可以看出仅针对PEMFC的水蒸气而言，即使进气湿度相对较低，在AEMFC无电流，即串联自增湿系统不起作用时，PEMFC阳极侧有相对较好的水蒸气浓度，这是AEMFC作为膜加湿器导致的，相比与PEMFC处于较小的工作负载下，阳极的水蒸气浓度处于不同的水平。对于阴极，PEMFC在2.4 A cm-2时的产水在整个云图中是最高值，在AEMFC开始工作后，其开始消耗PEMFC在上游的阴极侧的产水，这也是串联自增湿系统的应用。对于阳极，随着AEMFC电流的逐渐提高，阳极侧整体的水蒸气水平也逐渐提高，并且受限于AEMFC电流的最大值，仍然有非常高的提升空间。

图 6 PEMFC 2.4 A cm-2水蒸气浓度分布

(a) AEMFC 0 A cm-2; (b) AEMFC 0.12 A cm-2; (c) AEMFC 0.24 A cm-2

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