阴极低压对质子交换膜（PEM）燃料电池性能和分布特性的影响

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：The influence of cathode low pressure on the performance and distribution characteristics of PEM fuel cells

低气压环境下质子交换膜燃料电池性能及电流密度分布特性研究，通过自主开发的低压平台评估阴极压力对燃料电池性能和电流分布的影响。研究发现，阴极压力降低导致整体性能下降，电流分布均匀性呈现先恶化后改善趋势，且在低湿度下因质子传输阻力增加加剧性能衰退。温度升高会加剧膜与催化剂层干燥，降低氧分压，进一步恶化性能。优化策略需结合湿度控制和温度调节。

　　

何志庄|赵志华|杨晓康|邵志刚|孙书成

中国科学院大连化学物理研究所燃料电池与混合动力电源重点实验室燃料电池系统与工程实验室，中国大连116023

摘要

质子交换膜燃料电池对低压环境的适应性对于实现其广泛应用至关重要。在本研究中，我们使用自主研发的低压平台全面评估了低阴极压力对燃料电池性能和分布特性的影响。在恒定空气化学计量比条件下，随着阴极压力的降低，燃料电池的性能显著下降。这伴随着电流分布均匀性的初始恶化（0至-20 kPa）和随后的改善（-40至-50 kPa）。此外，降低的阴极压力促进了膜和催化剂层中的水分流失。虽然这减少了高湿度条件下的水淹现象，但也在低湿度条件下增加了质子传输阻力，导致阴极入口处的电流密度降低。尽管在低湿度条件下电流分布变得更加均匀，但性能下降幅度仍大于高湿度条件下的情况。此外，温度升高加剧了膜和催化剂层的干燥，并降低了氧分压，从而导致燃料电池性能大幅下降。尽管增加空气化学计量比在一定程度上提高了性能，但在压力降低时性能下降仍是不可避免的。因此，为了减轻低阴极压力的不利影响，有必要适当提高入口湿度并降低工作温度。

引言

质子交换膜燃料电池（PEMFC）已在包括固定式发电厂、便携式电子设备和汽车在内的多个领域得到初步应用。这归功于其显著的特点，如高能量转换效率、快速启动能力和接近零的污染排放[1,2]。然而，燃料电池是复杂的多输入、多输出系统，在非阴极开放式燃料电池配置中，反应气体向阴极的供应依赖于使用空气压缩机连续泵送空气[3]。地球表面大部分地区为高海拔区域，而低洼平原仅占有限面积。随着海拔的升高，大气压力降低[4]，从而影响空气压缩机的输出压力和流量。因此，在这种条件下需要额外的能量来维持正常的气体供应，最终导致燃料电池的净功率输出减少以及潜在的服务寿命缩短[[5], [6], [7]]。考虑到这些挑战，研究阴极在低压下的运行对于减轻压力相关限制并促进燃料电池的广泛应用至关重要。

在燃料电池中，阴极工作压力是性能的关键决定因素[8]。在这方面，德国航空航天中心[9]对不同阴极压力下尾气中的水分含量进行了深入评估。他们的发现表明，阴极压力的降低使膜电极更容易干燥。此外，张等人[10]研究了背压对燃料电池整体性能的影响。他们发现，背压的增加增强了加湿效果，同时降低了质量传递阻力。值得注意的是，大多数关于燃料电池在低压环境下运行的研究仍停留在理论阶段。此外，这些工作主要集中在燃料电池的外部方面，如控制策略的优化和燃料电池结构的改进[3]。例如，奥斯卡等人[11]使用MATLAB/Simulink软件研究了不同海拔对无人机用PEMFC性能的影响。他们的研究表明，海拔对燃料电池整体性能有显著影响，在较高海拔处性能下降更快。此外，普拉特等人[12]从理论和实验角度研究了氧浓度和环境压力对燃料电池性能的影响。他们证明了氧浓度和氧分压影响燃料电池性能的机制是不同的。此外，研究人员还尝试修改燃料电池的外围设备以最小化寄生功率损失[13,14]。例如，穆斯等人[15]回顾了混合动力燃料电池驱动无人机在环境条件下的性能下降研究，并指出了未来工作的关键方向。然而，很少有研究关注燃料电池在低压运行期间的内部条件。

为了能够在低压运行条件下原位表征燃料电池的内部条件，需要一种能够模拟低压环境的设备[9,16]。例如，德国航空航天中心开发了一种低压测试系统，用于研究PEMFC在低于环境压力下的运行[17]。该系统通过控制尾气端的真空泵来调节燃料电池的工作压力。此外，还需要一种能够反映燃料电池内部电化学反应状态的表征设备。在这方面，印刷电路板（PCB）电流分布技术由于其灵活性和可靠性，已成为表征质子交换膜燃料电池分布特性的重要手段[[18], [19], [20]]。该技术可以通过分析电流-密度分布的均匀性来反映不同操作参数和流场对燃料电池性能的影响[21,22]。它还可以与电化学阻抗谱（EIS）结合使用，以揭示不同燃料电池区域的阻抗分布比[23]。此外，高分辨率PCB电流分布测量可以反映局部区域的电化学反应情况，同时也可用于故障诊断，如水淹和膜损伤[24,25]。然而，由于燃料电池中的电流分布是由多物理场耦合引起的，因此很难准确评估影响分布的因素。在这方面，韩等人将电流分布与松弛时间（DRT）的分布结合起来，阐明了阳极湿度影响燃料电池电流分布的机制[26]。然而，仅使用PCB电流分布技术无法完全理解燃料电池的内部条件，因此需要将其与电化学方法（如EIS）结合使用[[27], [28], [29]]。

考虑到这些因素，本研究的目的是设计一种测试设备，使燃料电池阴极能够在低于大气压的压力下运行，并模拟在没有空气压缩机的高海拔和低压区域的燃料电池运行状态。通过使用高分辨率PCB电流分布技术和电化学表征方法，系统地研究了不同操作参数对燃料电池阴极在低压条件下运行的影响，以及这些参数对燃料电池整体性能和电流分布的影响。具体来说，确定了在低阴极压力下影响电流分布的主要因素，以及湿度 and 温度控制在低压燃料电池运行中的重要性。此外，还研究了低阴极压力对实际燃料电池运行过程中膜电阻的影响。最后，提出了一种针对低压燃料电池阴极运行的优化策略，为提高燃料电池在高海拔和低压区域的适应性提供了实际指导。

实验装置

本研究使用的主要测试设备和程序如图1(a)所示，测试平台的示意图见图S1。与传统测试平台不同，该平台将阴极出口连接到丙烯酸缓冲罐，然后连接到真空泵（误差为±0.5 kPa）以调节负压。因此，燃料电池阴极可以在低于大气压的压力下运行，从而模拟高海拔条件下的燃料电池运行

低阴极压力对燃料电池性能和电流-密度分布的影响

首先，评估了阴极压力对燃料电池整体性能的影响。图2(a)显示了在不同阴极压力下记录的燃料电池的功率密度和极化曲线。如图所示，阴极压力的降低会导致燃料电池性能下降。根据理想气体状态方程，在给定空间内，当气体压力降低时，气体浓度也会降低。

结论

在本研究中，我们使用自主研发的低压平台全面评估了低阴极压力对燃料电池性能和分布特性的影响。该设备结合了高分辨率印刷电路板电流分布技术和电化学分析方法，用于评估燃料电池在低阴极压力下的内部状态。研究发现，当燃料电池阴极的出口压力

作者贡献声明

何志庄：撰写——初稿，正式分析，数据整理。赵志华：撰写——审阅与编辑，可视化。杨晓康：资金获取。邵志刚：监督。孙书成：撰写——审阅与编辑，监督，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了辽宁省科技重大项目（项目编号2023JH1/11200015）的支持。