[论文解读] The Autohumidification Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Jay B. Benziger, J. Moxley+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2003

Fuel Cells and Related Materials参考文献 12被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种新型自加湿聚合物电解质膜（PEM）燃料电池，通过内在的水分生成与传输实现水含量的自调节，消除了对外部加湿的需求。该系统表现出多重稳态及在临界水活度（约0.1）下的点火现象，其驱动力为水活度与质子电导率之间的自催化反馈，且具有较慢的动力学特性（10³–10⁴ s），与膜的溶胀及力学-化学耦合相关。

ABSTRACT

A PEM fuel cell was specially constructed to determine kinetics under conditions of well-defined gas phase composition and cell temperature. Steady state multiplicity was discovered in the autohumidification PEM fuel cell, resulting from a balance between water production and water removal. Ignition was observed in the PEM fuel cell for a critical water activity of about 0.1. Ignition is a consequence of the exponential increase of proton conductivity with water activity, which creates an autocatalytic feedback between the water production and the proton conduction. The steady state current in the ignited state decreases with increasing temperature between 50 to 105 deg C. At temperatures greater than 70 deg C five steady states were observed in the PEM fuel cell. The steady state performance has been followed with variable load resistance and hysteresis loops have been mapped. The dynamics of transitions between steady states are slow about 10^3 to 10^4 s. These slow dynamics are suggested to result from a coupling of mechanical and chemical properties of the membrane electrode assembly due to swelling of the membrane with water absorption.

研究动机与目标

• 研究在明确气体组成和温度条件下的PEM燃料电池中内在的水分管理动力学。
• 理解自加湿系统中多重稳态及点火现象的起源。
• 表征膜电极组件（MEA）中化学反应动力学、膜加湿状态与力学行为之间的耦合关系。
• 在不同负载条件下绘制滞回环及多重稳态之间的转换动力学。
• 量化水活度在不同温度范围（50–105 °C）内对质子电导率及系统稳定性的影响。

提出的方法

• 构建了一款专为控制气相组成和温度而设计的PEM燃料电池，以隔离水分管理的影响。
• 通过改变负载电阻测量稳态电流-电压特性，以绘制多重稳态及滞回行为。
• 监测稳态之间的动态转换过程，评估时间尺度（10³–10⁴ s），归因于膜的溶胀动力学。
• 量化水活度与质子电导率之间的关系，识别出驱动自催化行为的指数依赖关系。
• 将水活度作为关键控制参数，识别出点火阈值（约0.1），此时电导率急剧上升。
• 在温度范围（50–105 °C）内进行实验，评估稳态多重性与性能的热依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自加湿型PEM燃料电池中多重稳态现象的成因是什么？
• RQ2 点火发生在何种水活度下？其背后的物理机制是什么？
• RQ3 稳态之间转换的动力学特性如何与膜的加湿状态及力学性能相关？
• RQ4 温度如何影响自加湿系统中稳态的数量与稳定性？
• RQ5 质子电导率对水活度的指数依赖关系在实现自催化行为中起到何种作用？

主要发现

• 在70 °C以上的温度下，由于水分生成与去除之间的平衡，观察到自加湿型PEM燃料电池存在多重稳态，最多可达五个稳态。
• 点火发生在临界水活度约0.1处，由质子电导率随水活度指数增长所触发。
• 在50 °C至105 °C的温度范围内，点火状态下的稳态电流随温度升高而降低，表明动力学增强与水分损失之间存在权衡。
• 稳态之间的动态转换过程缓慢，持续时间为10³至10⁴秒，表明化学反应与膜的机械形变之间存在耦合。
• 在可变负载电阻条件下绘制了滞回环，证实了多重稳定状态的存在及路径依赖行为。
• 缓慢的动力学特性归因于膜吸水后随时间变化的溶胀过程，将膜电极组件的化学与力学特性联系起来。