在稳定和动态条件下对质子交换膜燃料电池中局部高频电阻分布的模拟和实验研究

科学领域:

• 电化学工程 电化学工程
• 材料科学 材料科学 材料科学

背景情况:

• 在PEM燃料电池 (PEMFC) 运行期间的质子交换膜 (PEM) 干湿变化严重影响PEMFC寿命,并可能导致由于应力变化的机械故障.
• 高频电阻 (HFR) 通常用于间接评估PEM干湿条件,但直接测量膜水含量等参数具有挑战性.

研究的目的:

• 通过分析干湿变化过程来研究PEM的机械降解机制.
• 用实验数据验证质量转移和HFR分布的数值模拟结果.
• 分析质量和热传递特征对不同电流密度下的局部HFR分布变化的影响.

主要方法:

• 利用三维 (3D) 数值模拟来模拟PEMFC内的质量和热传递.
• 通过局部电化学阻抗光谱学获得的实验结果与验证的模拟HFR分布.
• 分析了不同电流密度下的HFR分布变化及其与膜水和温度分布的相关性.

主要成果:

• 模拟的HFR分布与实验发现有很好的一致性.
• 在高电流密度下,由于膜自我加湿效应,最小的HFR值在阴极上游移动.
• 高频频率变化和干湿变化在空气输出口最明显,受反应速率和气体速度的影响.

结论:

• 3D模拟可靠地预测PEMFCs中的局部HFR分布,使膜应力变异的分析成为可能.
• 了解这些变化为优化PEMFC设计和运营策略提供了关键指导.
• 该研究强调了操作参数,膜水合,燃料电池性能和寿命之间的联系.