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质子交换膜燃料电池氧气传输阻力测试技术详解

2024-04-30 08:25:38·  来源：特嗨氢能检测  
　

氧气传输阻力，表征氧气在燃料电池内部从极板流场到催化剂层传输的难易程度，影响燃料电池在高电流密度下的性能，可用于评估燃料电池催化层和气体扩散层传质特性。


 

01 测试原理


一般采用不同氧气浓度和氧气分压下的极限电流密度计算获得氧气传输阻力。通过极限电流密度计算氧气传输阻力的理论依据主要是菲克定律和法拉第定律。一方面氧气扩散通量No2与极板流场中的氧气浓度图片到催化剂表面的氧气浓度图片之间的浓度差成正比，与氧气传输阻力图片成反比；另一方面氧气扩散通量No2与电流密度图片成正比，与反应中转移的电荷量成反比。计算公式如下：


图片


式中：

F——法拉第常数，96485C/mol。

在极限电流密度图片下，催化剂表面的氧气浓度接近于0，可得氧气传输阻力的计算公式如下：


图片


式中：

F——法拉第常数，96485C/mol；

图片——极板流场内氧气分压，单位kPa；

R——摩尔气体常量，8.31J/(mol·K)；

T——阴极进气的热力学温度，单位K。


02  测试方法


2.1 测试参数选取


极限电流密度测试涉及氧气浓度、压力、气体流量、温度、湿度、电压等参数的选择，适合的测试参数选择可以保证数据的准确性。本着助力氢能、共同发展的理念，特嗨氢能检测开展了大量试验，对相关参数进行了验证。根据验证结果，推荐氧气传输阻力的测试参数如下表。



2.2 极限电流测试


待工况条件稳定后，从电池开路电压测起，每次按相同梯度降低电压（0.2V/步），当电流随电压变化趋势减小时，逐渐减小电压下降梯度（0.1V/步、0.05V/步），直至出现极限电流值。需测试四种阴极进气压力和五种氧气浓度下的极限电流密度，共20个工况下的极限电流密度。


03  数据处理


3.1 氧气分压与极限电流密度


绘制四种阴极进气压力下不同氧气分压与极限电流密度的关系曲线图，结果如下图所示。可以看出，极限电流密度与氧气分压成正比；阴极进气压力不变的情况下，总气体传输阻力不变。由图中可得出四种阴极进气压力下的斜率图片，根据公式图片可以计算得到四种压力下对应的氧气传输阻力图片和图片。


图片


3.2 氧气传输阻力与阴极进气压力


绘制上述四种压力与其对应的氧气传输阻力的关系曲线图，结果如下图所示。


图片


氧气传输阻力可以分成与进气压力无关和有关的两部分，即氧气传输阻力可以表述成下式：


图片


其中与压力有关的氧传输阻力图片为氧气在极板流场、气体扩散层基质层的传输阻力，可由图中拟合曲线斜率图片与进气压力P的乘积得到；与压力无关的氧传输阻力图片为氧气在气体扩散层微孔层、催化剂层的传输阻力，可由图中拟合曲线与纵坐标的截距得到。


通过上述的测试解析，我们可以对氧气传输阻力进行量化分析，更好地评估氧气传输性能，为优化质子交换膜燃料电池的结构和操作条件提供指导。

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