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燃料电池中杂质的存在对电池的性能造成严重的影响,包括:电池电极动力学方面的影响;电池导电性方面的影响;电池传质方面影响。杂质的存在对电池造成的影响是阻碍质子交换膜燃料电池商业化的重要原因之一。目前的研究大都基于燃料电池在运行时,考察杂质气体的存在对燃料电池的性能影响,对燃料电池在没有运行的情况下也会受杂质气体中毒的情况基本没有研究。
本文主要考察了质子交换膜燃料电池阴极在空气中两种常见的杂质气体二氧化硫和氨气中储存的条件下对电池性能的影响。首先通过引入正交实验法对燃料电池操作条件进行优化;然后通过将燃料电池阴极分别置于含有一定浓度的二氧化硫和氨气中,改变存储时间,存储温度和杂质气体的浓度等因素,以及考察中毒前后电池循环伏安曲线的变化,对比研究了两种气体对电池性能的影响,主要得出以下结论:
(1)将正交实验法应用到燃料电池测试中,采用L16(45)正交表,考察因素为电池运行温度(50℃,60℃,70℃,80℃)以及阴阳极加湿度(50%,60%,70%,80%),考察指标为电池在600mA/c㎡时的电池电压。成功的找到了燃料电池在阳极流量0.3NL/min,阴极流量0.8NL/min时,在所考察的因素搭配的范围内,最佳运行条件是电池运行温度70℃,阴极和阳极加湿度分别是60%和70%,并且缩短了实验时间。通过极差分析认为,三个因素对电池性能影响大小分别是电池温度>阴极加湿度>阳极加湿度。
(2)将电池阴极储存于含有浓度5%的二氧化硫的空气中,存储时间为24小时,储存温度为室温,电池性能没有发生明显变化。增加存储时间到120小时或者升高储存温度到80℃,电池的性能都没有发生明显变化,储存前后电池循环伏安曲线也没有明显变化,说明电池没有中毒。但是长时间,多次数的储存对燃料电池性能的影响还有待于研究。
(3)电池阴极置于含有一定浓度的氨气的空气中,改变储存浓度从0.5%至5%,储存时间从1小时至72小时,储存温度从室温至80℃,发现电池性能都受到很大的影响,影响程度和氨气的浓度,电池储存温度有关。氨气浓度越高,电池性能下降程度越大,储存温度越高,电池性能下降程度越小,电池受氨气储存中毒的程度与储存时间没有关系。将电池吹干后再储存,未发现电池性能有下降现象,说明氨气使电池中毒可能是由于氨气溶解在电池内残留的水分中引起的。受氨气中毒的电池在使用纯净的空气运行时,电池的性能能够慢慢恢复,恢复阶段分为先快后慢两个阶段。在电池受氨气中毒后,循环伏安曲线显示,阴极活性面积有所减少,电池氧还原受到了影响,但是并没有发现其他活性物质的氧化峰。电池在受氨气中毒的过程中,电池性能发生巨大变化,但是用内阻仪测试其高频阻抗始终保持在150mΩ*c㎡—250mΩ*c㎡之间,并没有出现很大程度的增加,但是实际电池阻抗可能变的很大。