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随着能源危机加剧和环境污染严重，氢能因其优势被视为未来能源首选。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高效、环保等优点在交通领域广受欢迎。但PEMFC的耐久性和可靠性是其商业化挑战。车辆运行时PEMFC功率会瞬时变化，瞬态加载会导致电压下降，影响寿命。因此，研究PEMFC的动态特性和内部机制对提高其在变载条件下的性能和耐久性至关重要。
成果简介
本研究中，科研人员深入分析了PEMFC在不同操作条件下的动态响应行为，涵盖电流加载、操作压力、阳极与阴极过量比及操作温度等因素。实验揭示，低电流密度、高背压及高温条件有助于减轻电压下冲现象。相较于串联流场（SFF），平行流场（PFF）展现出更优表现：二次时间延迟减少9.2秒，电压下冲（VU）降低17.27毫伏，能量损失缩减0.71%。此外，研究创新性地运用皮尔逊相关系数（PCC）评估各指标与PEMFC性能的相关性，为后续研究及设计优化构建了实用框架，指导如何通过优化流场结构及电流加载条件来最大化PEMFC的性能与耐久性。
图1 燃料电池的结构
图2 (a) 平行流场（PFF）(b) 串联流场（SFF）(c) PEMFC测试系统 (d) PEMFC测试原理图
图3 在不同变载范围内加载时的响应特性：(a) SFF和PFF之间的电压比较(b) PFF上的STD/FTD/VU(c) SFF上的STD/FTD/VU，
图4 在加载过程中的氢气和氧气分布：(a) 稳态时的示意图(b) 加载状态(c) 恢复到稳态
本研究深度剖析了PEMFC在多元操作条件下的动态响应特征，特别聚焦于流场结构对PEMFC内部水气分布的微妙影响，同时深入探讨了电压下冲的机理以及水气传输特性对PEMFC效能的深远作用。
实验结果显示，通过精细调整操作参数，包括电流加载幅度、背压以及操作温度，PEMFC的动态响应及能量效率得以显著提升。尤为值得一提的是，PFF相较于SFF，在动态响应速度及能量效率上展现出了明显优势。此外，借助皮尔逊相关系数分析，研究人员成功量化了各操作参数与PEMFC性能之间的密切关联，为未来研究及设计优化提供了宝贵的方向性指导。这些发现不仅对于优化PEMFC的操作特性、提升能源管理效率及延长使用寿命具有关键意义，更为推动可再生能源技术的蓬勃发展、实现更加可持续的未来愿景铺设了坚实的基石。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.10.232
本文由氢能助手提供
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