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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)報(bào)道的陽極增濕實(shí)驗(yàn)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(diǎn)溫度下。在160℃的工作溫度下，當(dāng)陽極露點(diǎn)溫度從室溫升高到50℃時(shí)，電池性能會提高，當(dāng)陽極露點(diǎn)溫度進(jìn)一步升高到70℃時(shí)，電池性能會略有下降，但在H2中水含量實(shí)現(xiàn)了最佳的電池性能。而在高工作溫度下在180℃時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)意味著，當(dāng)HT-PEM燃料電池在低工作溫度下工作時(shí)，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(xì)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(shí)驗(yàn)在Greenlight(GreenlightInnovation，加拿大)燃料電池測試站進(jìn)行，該測試站可以控制操作溫度、反應(yīng)物化學(xué)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)溫度從室溫（23℃）升至50℃和70℃。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)中燃料電池的運(yùn)行條件列于表1中。

圖1顯示了在140℃的工作溫度下，燃料電池在不同陽極露點(diǎn)溫度下的極化曲線。從該圖中我們可以看出，50℃陽極露點(diǎn)溫度下的電池性能略低于室溫陽極露點(diǎn)溫度下的電池性能。高陽極露點(diǎn)溫度(70℃)下的電池性能嚴(yán)重下降，這表明在140℃的工作溫度下陽極增濕對電池性能不利。

圖2顯示了在160℃的操作溫度下，不同陽極露點(diǎn)溫度和不同氫氣濃度下的電池性能。從該圖中可以看出，HT-PEM燃料電池在陽極加濕條件下(陽極露點(diǎn)溫度為50°C和70°C)比在陽極非加濕條件下在工作溫度為160℃時(shí)顯示出更好的電池性能。在高電流密度范圍內(nèi)，陽極露點(diǎn)溫度為70℃時(shí)，電池性能略低于在陽極露點(diǎn)溫度為50℃時(shí)，這表明，在160℃下，在中等陽極濕度水平下實(shí)現(xiàn)了最大電池性能。陽極增濕可能導(dǎo)致H2和磷酸的稀釋。H2稀釋對電池性能的影響可以通過將電池性能與純H2和N2稀釋氫進(jìn)行比較來說明。從圖2可以看出，H2中的稀釋會降低電池性能。因此，陽極增濕帶來的磷酸稀釋可以在160℃的操作溫度下改善電池性能。

在180℃的較高操作溫度下，同樣進(jìn)行了陽極增濕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。類似于在160℃工作溫度下的實(shí)驗(yàn)，即使氫氣稀釋導(dǎo)致電池性能在180℃工作溫度下顯著下降，電池性能也通過陽極加濕得到改善。值得注意的是，在180℃工作溫度下，在電流密度的整個(gè)范圍內(nèi)，70℃陽極露點(diǎn)溫度下的電池性能高于50℃陽極露點(diǎn)溫度下的電池性能。這表明，在更高的陽極濕度水平下，在更高的工作溫度下，電池性能達(dá)到最大。

圖4燃料電池在不同陽極加濕條件和不同操作溫度下的電化學(xué)阻抗譜:(a)140℃，(b)160℃，(C)180℃。

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，如圖4所示。從該圖中可以看出，在所有工作溫度下，歐姆電阻隨著陽極露點(diǎn)溫度的增加而降低，因?yàn)楫?dāng)陽極濕度水平增加時(shí)，頻譜與高頻范圍內(nèi)的x軸的交點(diǎn)會向較低的電阻值移動。這可以通過當(dāng)陽極氣體中的水含量增加時(shí)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(diǎn)溫度的升高而增加。在160℃的工作溫度下，當(dāng)陽極露點(diǎn)溫度上升到50℃時(shí)，極化電阻下降，當(dāng)陽極露點(diǎn)溫度進(jìn)一步上升到70°C時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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。

極化電阻由電荷轉(zhuǎn)移電阻和質(zhì)量轉(zhuǎn)移電阻組成。為了區(qū)分電荷轉(zhuǎn)移電阻和質(zhì)量轉(zhuǎn)移電阻的分布，圖5是HT-PEM燃料電池測量阻抗譜中的擬合內(nèi)阻:(a)140℃，(b)160℃，(c)180℃。(a)可以看出，在較低的操作溫度(140℃)下，傳質(zhì)阻力隨著陽極露點(diǎn)溫度的升高而增加。這可以歸因于通過增加水含量來稀釋氫濃度。同時(shí)，隨著陽極露點(diǎn)溫度的升高，電荷轉(zhuǎn)移電阻呈現(xiàn)出不同的趨勢。在160℃的工作溫度下，由于陽極露點(diǎn)的升高而引起的內(nèi)阻變化溫度不同于140℃工作溫度下的溫度。內(nèi)阻的變化表明，是傳質(zhì)阻力的增加導(dǎo)致了H2稀釋條件下電池性能下降，如(b)所示。(c)在180℃的工作溫度下，當(dāng)陽極露點(diǎn)溫度從室溫升高到50℃和70℃時(shí)，質(zhì)量轉(zhuǎn)移增加，這種現(xiàn)象在140℃和160℃的工作溫度下也可以觀察到。同時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移阻力顯示出下降趨勢。不同溫度下，隨著露點(diǎn)溫度的升高，電荷轉(zhuǎn)移趨勢的差異表明，陽極增濕對電荷轉(zhuǎn)移電阻的影響會受到工作溫度的影響。操作溫度的影響可能與不同溫度和酸濃度下磷酸的蒸汽壓有關(guān)。因?yàn)榱姿岬拿芏雀哂谒拿芏龋运釢舛鹊慕档蛯?dǎo)致酸-水混合物體積的增加和催化劑層中酸體積分?jǐn)?shù)的增加。

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(diǎn)溫度為室溫。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(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)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。