高溫聚合物電解質(zhì)膜（HT-PEM）燃料電池的特有優(yōu)勢使其具有優(yōu)異的發(fā)展前景，HT-PEM燃料電池不依賴液態(tài)水來提供質(zhì)子傳導(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(jié)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(fù)雜性以及文獻報道的陽極增濕實驗結(jié)果的差異，近日，丹麥奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)系F.Zhou,D.Singdeo,S.KnudsenK？r三人本工作系統(tǒng)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(jié)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(xiàn)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(zhì)子傳導(dǎo)性的增加而略微降低，而傳質(zhì)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(zhuǎn)移電阻的變化比歐姆電阻和質(zhì)量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移電阻呈現(xiàn)下降趨勢。不同操作溫度下電荷轉(zhuǎn)移電阻的變化差異與酸水合水平的溫度和通過膜的水轉(zhuǎn)移的影響有關(guān)，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(fā)現(xiàn)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(yīng)該最小化，以避免電池性能損失。該文章發(fā)表工程類FuelCells期刊上。

【詳細內(nèi)容】

本工作采用了一種基于丹麥電力系統(tǒng)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(yīng)物化學(xué)計量、反應(yīng)物相對濕度。通過使用鼓泡增濕器調(diào)節(jié)反應(yīng)物的露點溫度(TDP)來控制反應(yīng)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(nèi)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(nèi)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(zhì)子傳導(dǎo)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(diào)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(dǎo)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(dǎo)致的水分壓升高會導(dǎo)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(dǎo)致酸中水含量的增加，對質(zhì)子轉(zhuǎn)移的貢獻增加。在這種情況下，質(zhì)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(dǎo)致陽極中的水耗盡和陰極中的水溢出，并因此導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)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(zhì)子轉(zhuǎn)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。