大面积质子交换膜燃料电池电流密度和温度分布测量及均匀性分析

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大面积质子交换膜燃料电池电流密度和温度分布测量及均匀性分析

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原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544221021708 
简介
电化学反应速率的均匀性是提高车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能和耐久性的关键。目前,电流密度分布测量工具虽已经被用以研究电池的局部参数,但是大多数学者所使用的电池反应面积都为5-25 cm2。本文结合市场实际应用需求,设计了有效反应面积为108 cm2的大尺寸电池,基于印刷电路板技术实现了电池分区测量,结合极化曲线、电化学阻抗、电流密度分布、温度分布等多种表征手段开展实验研究,并引入了一个均匀性参数σc来评价局部电流密度分布(LCD)的均匀性。实验采用了三种类型的阴极流场,研究了电流负载、相对湿度、阴极化学计量比等各种工况参数对LCD分布的影响,提出了关于燃料电池设计及控制策略优化的建议。
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图1 分区燃料电池结构示意图

不同阴极流场的电池性能研究

本研究首先对比了三种不同阴极流场在不同湿度下的性能,从图2可以看出在不同的湿度工况下,阴极使用平行蛇形流道的电池性能都优于平行流场,平行蛇形流场的性能为三者最差,这种性能差异在大电流密度时表现的更加明显。
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图2 不同阴极流场电池的极化曲线和功率密度曲线

(a) RH 40%; (b) RH 60%; (c) RH 80%; (d) RH 100%.

 
如图3所示为同一工况下(0.8 A cm-2),三种流道的电流密度分布云图。由图可见,平行蛇形流道中由于气体需要经过多次的转弯回折,压力损失较大,且下游区域反应气体浓度很低,电池上下游之间电流密度的均匀性很差。由于分配区的加入,点阵平行流道有效的改善了阴极进口区域的气体拥挤现象,高电流密度区域聚集在阴极进口的现象消失,下游区域反应气体分布的均匀性增加。
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图 3 不同阴极流场电池的电流密度分布

(a) 平行蛇形流场 (b) 平行流场 (c) 点阵平行流场

 
如图4所示为不同负载时三种流场的电流密度均匀性对比,从σc 的数值上可以明显看出,当电流负载为0.2 A cm-2时,电池的电流密度均匀性较好,且不同流道的差异性很小;以平行蛇形流道为例,随着负载的增加σc从4.6增大为44.5,电流密度的均匀性变差。且在不同的负载下,平行蛇形流道的电流密度均匀性都最差;在中高电流密度工况时,点阵平行流道σc最小,电流密度分布的均匀性最好。
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图 4 三种流场的电流密度均匀性系数σc

 
通过对比极化曲线、功率密度曲线、电流密度分布规律,可以看出阴极点阵平行流道性能优于平行流道,优于平行蛇形流道;从泵气经济学的角度,点阵平行流道压降小于平行流道,且远小于平行蛇形流道,因此更适合应用到电堆中;基于分区测量工具,可以看出点阵分配区有效的改善了平行流道阴极进口区域的电流分布,σc的变化规律也说明了平行蛇形流道的电流密度均匀性最差。因此点阵平行流道的综合性能表现优于其余两种流道设计,因此采用阴极点阵平行的流场完成后续的相关实验内容。
不同操作条件下的电流密度分布规律
当阴极使用点阵平行组合流场时,从实验结果可以看出在小电流负载时,电流密度最高的区域位于阴极进气口下游区域,这是由于进口区域局部膜干燥,欧姆阻抗较大导致的电池局部性能较低,而下游区域受到上游生成的水的润湿作用,因此有较高的质子传导率和较低的膜电阻,保证了相对较高的电化学反应速率。随着反应电流的升高,电池自身产水量增多,靠近阴极气体进口以及上游区域局部欧姆电阻逐渐降低,其次随着电流的增加浓度损失对电池性能的影响越来越大,因此受到湿度以及氧气浓度的综合影响,高电流密度区域也逐渐从流道下游转移至中间区域,并当电流负载较高时,随着电化学反应的进行氧气浓度沿着流道方向逐渐降低,因此高电流密度区域最终稳定在靠近阴极的进口区域。
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图5 不同电流负载时的电流密度分布

(a) 0.2 A cm-2 (b) 0.6 A cm-2 (c) 1.0 A cm-2 (d) 1.4 A cm-2.

 
如图6所示为图5对应不同负载下电池的温度分布云图。温度分布的结果受到加热装置的均匀性、电化学反应的均匀性以及电池与周围环境换热的影响。局部电流的大小对应电池不同区域电化学反应的差异性,并且与电池自身的产热量成正比;此外由于电池与周围存在热交换,因此在相同的产热条件下,靠近电池边缘的区域温度较低。可以发现小电流密度时温度分布与电流分布云图一致性较好,高温区域处于电池下游区域,并且随着电流负载的增加,温度分布云图上的高温区域也同样出现了向阴极进口区域迁移的趋势,并且在电流密度到达1 A cm-2左右时,高温区域稳定在了靠近阴极进口的上游区域,结合电流密度分布的结果进行分析,这是因为此时高电流区域位于进口区域,因此进口区域产热较多,其次由于电池不同位置存在温度梯度以及和周围环境存在热交换,因此电池的中心区域温度较高,温度分布的结果是电池不同区域产热与换热的综合作用结果。
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图6 不同电流负载时的温度分布

(a) 0.2 A cm-2 (b) 0.6 A cm-2 (c) 1.0 A cm-2 (d) 1.4 A cm-2

 
此外,本文还使用点阵平行流场研究了不同操作工况下电流的局部反应规律,并结合试验结果对燃料电池的设计给出了指导性的建议,更多详细讨论请查看原文。