质子交换膜燃料电池阴极侧不同部位水淹对性能的影响

doi:10.7503/cjcu20230003

摘要/Abstract

摘要：

通过对阴极侧不同部位(催化层、碳纸、微孔层和流道)进行亲疏水处理得到不同部位局部水淹, 然后在不同过量系数、加湿度和背压等工况下分析燃料电池水淹情况. 测试结果表明, 随着过量系数降低, 电池出现水淹时碳纸未做疏水处理的电池性能下降最为严重, 且该电池的阻抗弧半径扩大1.5倍; 阴极10%加湿时, 碳纸和流道未做疏水处理的电池性能较差, 且这两个电池的阻抗弧半径比阴极60%加湿时扩大50%; 阴极100%加湿时碳纸未做疏水处理的电池性能最好, 而催化层未做疏水处理的电池性能最差, 且催化层未做疏水处理的电池阻抗弧半径比10%加湿时扩大1倍; 随着背压降低, 碳纸未做疏水处理的电池性能下降最严重, 且该电池高背压下的阻抗弧半径较低背压缩小50%.

关键词: 质子交换膜燃料电池, 电化学阻抗谱, 水淹

Abstract:

The discharge of the water generated by the cathode of the fuel cell is mainly related to the catalytic layer， carbon paper， microporous layer and flow channel. The accumulation of generated water in these four parts will cause flooding. However， it is difficult to distinguish which part of the water flooding is caused by the accumulation during the operation of the fuel cell. In this paper， hydrophilic and hydrophobic treatment was carried out on different parts of the cathode side（catalytic layer， carbon paper， microporous layer， flow passage） to obtain local flooding in different parts. Then， the flooding situation of fuel cells was analyzed under different stoich， humidity， back pressure and other conditions. The test results show that with the decrease of stoich， the performance of the battery without hydrophobic treatment in carbon paper is the most serious decline， and the impedance arc radius of the battery is increased by 1.5 times. When the cathode was humidified at 10%， the performance of the cells without hydrophobic treatment in carbon paper and flow passage was poor， and the impedance are radius of the two cells was 50% larger than that of the cathode humidified at 60%； when the cathode is 100% humidified， the performance of the cell without hydrophobic treatment in carbon paper is the best， while that of the cell without hydrophobic treatment in the catalytic layer is the worst， and the impedance arc radius of the cell without hydrophobic treatment in the catalytic layer is twice as large as that of the cell with 10% humidification. With the decrease of back pressure， the performance of the cell without hydrophobic treatment of carbon paper decreased the most seriously， and the impedance arc radius of the cell under high back pressure was 50% smaller than that under low back compression.

Key words: Proton exchange membrane fuel cell, Electrochemical impedance spectroscopy, Flooding

中图分类号:

O646

TrendMD:

陈亚锋, 曾刘莉, 郭伟. 质子交换膜燃料电池阴极侧不同部位水淹对性能的影响. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230003.

CHEN Yafeng, ZENG Liuli, GUO Wei. Effect of Water Flooding at Different Positions of Cathode Side on the Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20230003.

图/表 8

Table 1 Four kinds of single-cell cathode side assembly combinations

Cell	Treatment	Catalyst layer	Carbon paper	Microporous layer	Channel
Cell 1	Catalyst layer without hydrophobic treatment	Catalyst layer A	Carbon paper B	Microporous layer B	Channel B
Cell 2	Carbon paper without hydrophobic treatment	Catalyst layer B	Carbon paper A	Microporous layer B	Channel B
Cell 3	Microporous layer low hydrophobic treatment	Catalyst layer B	Carbon paper B	Microporous layer A	Channel B
Cell 4	Channel without hydrophobic treatment	Catalyst layer B	Carbon paper B	Microporous layer B	Channel A

Fig.1 Polarization curves of four kinds of cells with different stoich under 2.0/1.5(A), 2.0/2.0(B) and 2.0/3.0(C)Tcell: 75 ℃; BP: 130 kPa/110 kPa; RH: 50%/50%.

Fig.2 EIS plots of four kinds of cells with different stoich under 2.0/1.5 (A), 2.0/2.0(B) and 2.0/3.0(C)Tcell: 75 ℃; BP: 130 kPa/110 kPa; RH: 50%/50%; current density: 1000 mA/cm2.

Fig.3 Polarization curves of four kinds of cells with different relative humidity under 50%/100%(A), 50%/60%(B) and 50%/10%(C)Tcell: 75 ℃; stoich: 2.0/2.0; BP: 130 kPa/110 kPa.

Fig.4 EIS plots of four kinds of cells with different relative humidity under 50%/100%(A), 50%/60%(B) and 50%/10%(C)Tcell: 75 ℃; stoich: 2.0/2.0; BP: 130 kPa/110 kPa; current density: 1000 mA/cm2.

Fig.5 Polarization curves of four kinds of cells with different back pressures under 60 kPa/40 kPa(A), 100 kPa/80 kPa(B) and 150 kPa/130 kPa(C)Tcell: 75 ℃; stoich: 2.0/2.0; RH: 50%/50%.

Fig.6 EIS plots of four kinds of cells with different back pressures under 60 kPa/40 kPa(A), 100 kPa/80 kPa(B) and 150 kPa/130 kPa(C)Tcell: 75 ℃; stoich: 2.0/2.0; RH: 50%/50%; current density: 1000 mA/cm2.

Table 2 Performance of four kinds of cells in different conditions

Cell	Stoich（An/Ca）			Relative humidity（An/Ca）			Back pressure（An/Ca）
	2.0/1.5	2.0/2.0	2.0/3.0	50%/10%	50%/60%	50%/100%	60 kPa/40 kPa	100 kPa/80 kPa	150 kPa/130 kPa
Cell 1	Flooding	—	—	Dry	—	Flooding	Flooding	—	—
Cell 2	—	—	—	—	—	Worst	—	—	—
Cell 3	Worst	—	—	Down	—	—	Worst	—	—
Cell 4	—	—	—	Down	—	—	—	—	—

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