质子交换膜燃料电池电堆阳极饥饿反极的研究

doi:10.7503/cjcu20230397

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 20230397.doi: 10.7503/cjcu20230397

质子交换膜燃料电池电堆阳极饥饿反极的研究

董文雅¹, 潘建欣²(), 郭伟¹^,³()

^1.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
^2.武汉氢能与燃料电池产业技术研究院, 武汉 430064
^3.佛山仙湖实验室, 佛山 528200

收稿日期:2023-09-04 出版日期:2024-02-10 发布日期:2023-12-14
通讯作者: 潘建欣,郭伟 E-mail:jx0731@126.com;guowei2016@whut.edu.cn
基金资助:
国防基础科研项目(JCKY2020206B507);国家自然科学基金(21975192);先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室)开放基金(XHD2022-002)

Study on Reverse Polarization of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack Caused by Anode Starvation

DONG Wenya¹, PAN Jianxin²(), GUO Wei¹^,³()

^1.State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China
^2.Wuhan Hydrogen and Fuel Cell Industry Technology Research Institute，Wuhan 430064，China
^3.Foshan Xianhu Laboratory，Foshan 528200，China

Received:2023-09-04 Online:2024-02-10 Published:2023-12-14
Contact: PAN Jianxin, GUO Wei E-mail:jx0731@126.com;guowei2016@whut.edu.cn
Supported by:
the Defense Industrial Technology Development Program, China(JCKY2020206B507);the National Natural Science Foundation of China(21975192);the Open Project of Foshan Xianhu Laboratory of the Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory, China(XHD2022-002)

摘要/Abstract

摘要：

目前, 质子交换膜燃料电池(PEMFC)反极研究主要通过单电池完成, 反极过程没有考虑相邻电池的影响, 与电堆实际情况并不完全相同. 本文通过控制加湿度和过量系数等测试条件分析了5片PEMFC电堆阳极在水淹和缺气情况下的饥饿反极情况. 结果表明, 在电堆阳极水淹情况下, 反极单电池电压表现为缓慢下降到电解水平台然后迅速恢复的循环过程, 性能恢复归因于水淹单电池阳极进出口压差上升使其液态水排出而氢气重新进入; 在电堆阳极缺气情况下, 反极单电池电压表现为迅速降低到碳腐蚀平台然后迅速恢复的循环过程, 这是由于缺气单电池的阳极进出口压差下降使电堆内氢气重新分配. 缺气反极电池电压会降低到碳腐蚀平台, 因此会对电池性能造成不可逆的损害.

关键词: 阳极水淹, 阳极缺气, 质子交换膜燃料电池电堆

Abstract:

At present， the study of proton exchange membrane fuel cell（PEMFC） reversal was mainly completed through a single cell， and the reversal process didn’t consider the influence of adjacent cells， which was not completely the same as the actual situation of the stack. This paper analyzed the anode starvation reverse polarity of PEMFC stack composed of 5 single cells under water flooding and gas shortage conditions by controlling testing conditions such as humidity and excess coefficient. The results show that under anode water flooding conditions， the voltage of the reverse polarity single cell slowly decreases to the electrolysis level table and then quickly recovers. The reason for performance recovery is that the pressure difference between the inlet and outlet of the water flooded single cell anode increases， causing liquid water to be discharged and hydrogen to enter again. Under the condition of gas shortage in the anode of the stack， the voltage of the reverse pole single cell exhibits a cyclic process of rapidly decreasing to the carbon corrosion platform and then rapidly recovering. The reason for the performance recovery is that the decrease in pressure difference between the anode inlet and outlet of the gas deficient single cell causes a new distribution of hydrogen gas in the stack. Due to the lack of gas， the voltage of the reverse polarity battery will decrease to the carbon corrosion platform， which will cause irreversible damage to the battery performance.

Key words: Anode water flooding, Anode gas shortage, Proton exchange membrane fuel cell stack

中图分类号:

O646

TrendMD:

董文雅, 潘建欣, 郭伟. 质子交换膜燃料电池电堆阳极饥饿反极的研究. 高等学校化学学报, 2024, 45(2): 20230397.

DONG Wenya, PAN Jianxin, GUO Wei. Study on Reverse Polarization of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack Caused by Anode Starvation. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(2): 20230397.

图/表 7

Fig.1 Voltage variation curve with time during the external constant current reverse process of PEMFC single cell

Fig.2 Time varying curves of voltage(A), current density(B) and anode inlet and outlet pressure difference(C) of the stack during the process of water flooding reverse polarity under 100% humidification

Fig.3 V⁃I curves of each single cell before(A) and after(B) water flooding reverse polarity of the stack

Fig.4 SEM images(A, D) of the cross⁃section of the CCM, TEM images(B, E) of the anode catalyst, and Pt particle size distribution maps(C, F) before(A—C) and after(D—F) water flooding reverse polarity

Fig.5 Time varying curves of voltage(A), current density(B) and anode inlet and outlet pressure difference(C) during the process of gas shortage reverse polarity under 40% humidification of the stack

Fig.6 V⁃I curves of each single cell before(A) and after(B) gas shortage reverse polarity of the stack

Fig.7 SEM images(A, D) of the cross⁃section of the CCM, TEM images(B, E) of the anode catalyst, and Pt particle size distribution maps(C, F) before(A—C) and after(D—F) gas shortage reverse polarity

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质子交换膜燃料电池电堆阳极饥饿反极的研究

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