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NEDO | 質(zhì)子交換膜燃料電池抗反極測試方法
水淹、膜干、欠氣和中毒是燃料電池的主要故障類型。其中，陽極欠氣是電池失效的罪魁禍首之一。本文分享日本NEDO的兩種燃料電池抗反極性能測試方法。
圖1 欠氫測試過程電壓變化(水電解耐久)
質(zhì)子交換膜燃料電池在運行時，由于水淹、結(jié)冰和供氣不足等因素導(dǎo)致氫氣缺乏時，陽極將無法進行正常氫氧化反應(yīng)(HOR)反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子和電子，此時陽極將發(fā)生不同程度的水電解反應(yīng)(OER)和碳腐蝕(COR)反應(yīng)以繼續(xù)提供氫質(zhì)子和電子。氫氣缺乏發(fā)生時，陽極電勢升高并且超過陰極電勢，電極電勢發(fā)生反轉(zhuǎn)，即為反極現(xiàn)象。
水電解反應(yīng)式：
碳腐蝕反應(yīng)式：
反極現(xiàn)象發(fā)生時，催化劑將發(fā)生腐蝕和團聚等現(xiàn)象，嚴重則發(fā)生質(zhì)子膜燒穿后果。除優(yōu)化運行條件改善陽極缺氣外，使用抗反極陽極電極是一種有效方法。本文分享日本NEDO規(guī)定的兩種質(zhì)子交換膜燃料電池抗反極性能測試方法，一種水電解欠氫測試，另外一種為陽極電位變動欠氫測試。
圖2 欠氫測試裝置(水電解耐久)
首先，水電解欠氫測試裝置如上圖2所示，測試夾具可選用兩種規(guī)格，即1cm×1cm和1cm×3cm，外部連接恒電位儀。欠氫測試中采用恒定電流0.7 A/cm2負載(充分考慮欠氫的實際場景，如低溫啟動)，電池溫度設(shè)定40℃，陰陽極分別通入過飽和濕潤的空氣和氮氣，陰陽極氣體露點溫度均為45℃。截止電壓設(shè)定-2.0 V。具體反應(yīng)條件如下表1所示。欠氫測試前后測試評價項有電化學活性面積(CV)、陽極過電壓(氫泵法)、催化層內(nèi)阻(EIS)、氣體傳質(zhì)阻力(極限電流法)、發(fā)電性能(I-V)。
表1 欠氫測試條件(水電解耐久)
以下為水電解欠氫測試的實際案例。
圖3 欠氫測試案例(水電解耐久)
圖4 欠氫測試案例(水電解耐久)
陽極電位變動欠氫測試裝置如下圖5所示，測試夾具同樣可選用兩種規(guī)格，即1cm×1cm和1cm×3cm，外部連接電子負載。欠氫測試中陽極電位在0.1 V和1.15 V間梯形波電壓掃描循環(huán)，升降速率250 mV/s，如下圖6所示。由于單節(jié)電壓在小于-0.2V 時催化劑衰減加速，因此欠氫時的電壓保護值即下限值可設(shè)定為-0.3 V，假設(shè)此時陰極電位為0.85 V，則陽極電位為1.15 V(0.85V+0.3=1.15)。此外，一般從檢測到施加限制的時間周期約為1 s，因此設(shè)定0.1 V和1.1 5V的維持時間為1 s。
圖5 欠氫測試裝置(陽極電位變動耐久)
圖6 欠氫測試陽極電位循環(huán)(陽極電位變動耐久)
電池溫度設(shè)定40℃，陰陽極分別通入過飽和濕潤的氮氣和氫氣，陰陽極氣體露點溫度均為45℃。具體反應(yīng)條件如下表2所示。欠氫測試前后測試評價項有電化學活性面積(CV)、陽極過電壓(氫泵法)、催化層內(nèi)阻(EIS)、氣體傳質(zhì)阻力(極限電流法)、發(fā)電性能(I-V)。耐久測試可以考慮面向15年壽命的1200次循環(huán)次數(shù)(80次/年×15年)。
表2 欠氫測試條件(陽極電位變動耐久)
以下為陽極電位變動欠氫測試的實際案例。
圖7 欠氫測試案例(陽極電位變動耐久)
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