在一项新研究中，研究人员在了解氢分压与质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 性能之间的关系方面取得了重大进展。他们的发现可以通过简化流程、降低成本和增强安全措施来彻底改变燃料电池质量测试。他们的研究成果发表在《工业化学与工业化学》杂志上。材料 10 月 4 日。
“我们的目标是通过探索不使用纯氢的新策略来显着降低 PEM 燃料电池质量测试的成本，” BMW AG 的 Felix Haimerl 解释道。在阳极流中降低氢气浓度的情况下进行质量测试可以降低测试站的安全要求和相关成本。研究小组首先研究了氢分压降低对 PEM 燃料电池性能的影响。他们的分析揭示了阳极侧的偏差和电化学效率的整体下降。
质子交换膜(PEM)燃料电池的工作原理是电化学转换，利用氢气和氧气发电，唯一的副产品是热和水。它们的效率通常超过 50%，使其成为各种应用的引人注目的选择，因为它们在各种操作条件下都能保持这种效率。值得注意的是，质子交换膜燃料电池为各种运输应用提供了一种有前途且清洁的化石燃料燃烧替代品。
随着质子交换膜燃料电池行业从开发阶段过渡到大规模生产，越来越需要建立稳定且具有成本效益的制造工艺。一项重大挑战是这些燃料电池必须经过严格的质量测试。目前，最先进的质量控制程序主要依赖于氢气操作，这引起了安全问题，进而导致与测试站相关的高成本。
在降低的氢分压下进行测试程序可以避免其中一些问题。然而，由于 PEM 燃料电池中的阴极侧通常是决定速率的，因此很少有研究调查氢分压降低对燃料电池性能的影响。
Haimerl 及其同事阐明了氢分压降低对燃料电池性能的影响。他们的研究涉及综合实验，记录从 36 kPa 到 190 kPa 的各种氢分压水平的极化曲线和阻抗谱。通过用氮气稀释氢气流，同时保持恒定的氢气流量，研究人员能够将氢气分压的影响与氢气饥饿效应分开。结果表明，随着氢分压的降低，PEMFC 的性能显着下降，这种效应在较高的电流密度下变得更加明显。阻抗谱分析可以深入了解性能下降的机制。为了解释阻抗数据，研究人员引入了等效电路模型，该模型与实验结果非常吻合。该等效电路模型揭示了阳极电荷转移电阻与氢分压之间的指数关系。
这项研究是我们理解氢分压如何影响质子交换膜燃料电池性能的重大突破。研究人员的目标是基于所获得的知识，进一步评估低氢分压在质量测试中的应用。 “我们目前正在对有故障的燃料电池进行实验，以测试我们是否能够在氢浓度降低的情况下真正检测到典型故障，”他说。海梅尔说。最终，结果可能为简化燃料电池质量测试、降低成本和降低安全要求铺平道路。
该研究团队包括来自慕尼黑工业大学、布伦瑞克工业大学和宝马公司的研究人员。即 Felix Haimerl(慕尼黑工业大学/宝马股份公司)、Sunil Kumar(布伦瑞克工业大学)、Michael Heere(布伦瑞克工业大学)和 Aliaksandr S. Bandarenka(慕尼黑工业大学)参与了实验和概念化。
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