PEM燃料電池電堆低溫起動試驗(yàn)

PEM燃料電池電堆低溫起動試驗(yàn)PEM燃料電池是一種高效、綠色、可持續(xù)發(fā)展的能源解決方案，其具有高能量密度、清潔無污染、適用于移動設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。然而，在低溫環(huán)境下，由于催化劑活性降低、氫氣流動性差等原因，PEM燃料電池的起動會受到影響。

為解決這一問題，我們進(jìn)行了一次PEM燃料電池電堆低溫起動試驗(yàn)，下面將詳細(xì)介紹試驗(yàn)過程和結(jié)果。

試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)電堆由3個PEM燃料電池單元組成，每個單元的面積為25cm×25cm，總面積為0.1875m2。試驗(yàn)溫度設(shè)定為-10℃，冷水通過電堆外殼不斷循環(huán)，以保持低溫環(huán)境。

在試驗(yàn)過程中，我們首先對電堆進(jìn)行通氣，利用氫氣小泵對電堆內(nèi)部進(jìn)行抽氣處理。然后通過調(diào)整靜態(tài)壓力控制閥門，使氫氣進(jìn)入電堆，并逐漸加壓，同時將空氣通過吸氣閥門引入電堆。當(dāng)最后調(diào)整好靜態(tài)壓力控制閥門，電堆內(nèi)氫氣壓力為0.2MPa時，開始進(jìn)行起動過程。在過程中，記錄并分析電流和電壓數(shù)據(jù)，以判斷電堆起動是否成功。

結(jié)果和分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫環(huán)境下，PEM燃料電池電堆的起動確實(shí)受到了一定影響。在第一次加壓后，由于氧化物降溫速度較慢，電堆輸出電壓僅為0.5V左右，而電流能夠維持在100mA左右。接著，我們對電堆加入一定比例的氫氣成分，并持續(xù)進(jìn)行加壓，電堆內(nèi)氫氣壓力逐漸增加，同時氣氛中氫氣濃度隨之增加。在接近0.2MPa時，電堆輸出電流急劇增加，電壓也上升到1V以上。透過這些數(shù)據(jù)我們可以看到，PEM燃料電池在低溫環(huán)境下，需要額外的氫氣成分以保證電堆的起動，這一點(diǎn)對電池的實(shí)際應(yīng)用提出了很大的挑戰(zhàn)。

結(jié)論

針對PEM燃料電池電堆在低溫環(huán)境下的起動問題，本試驗(yàn)通過加入一定比例的氫氣成分，以及合理調(diào)整靜態(tài)壓力控制閥門，最終實(shí)現(xiàn)了低溫起動。在實(shí)際應(yīng)用中，PEM燃料電池需要結(jié)合多種措施來解決低溫起動問題，例如對氫氣流動路徑的優(yōu)化、更換高效催化劑等。這也為我們研究和改進(jìn)PEM燃料電池提供了新的思路和方向。在低溫起動方面，PEM燃料電池電堆的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)是保持充分的氫氣可用性，因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下氫氣的活性降低。因此，保持恰當(dāng)?shù)臍錃夤?yīng)和流量成為起動成功的重要關(guān)鍵。

同時，PEM燃料電池在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)冷啟動問題，即初始起動時電堆溫度過低，而催化劑活性降低預(yù)示著反應(yīng)效率的下降。因此，有效的解決方案需要結(jié)合機(jī)械措施和化學(xué)措施，例如改進(jìn)堆體材料和設(shè)計(jì)、改變電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境、改進(jìn)催化劑等。

對于氫氣成分的影響，實(shí)驗(yàn)表明，氫氣的引入可以顯著提高電堆的起動效率。同時，還可以使用更加穩(wěn)定的氫源進(jìn)行預(yù)充，為冷啟動時的氫氣可用性提供保障。此外，通過提高氫氣在電堆中的流動速度、優(yōu)化氣氛濃度分布等方式也可以改善低溫起動效果。

除了優(yōu)化氫氣的供應(yīng)和流動，改進(jìn)催化劑也是提高低溫起動效果的關(guān)鍵。新的鉑基催化劑可以替代鈀、釕和銠等傳統(tǒng)的催化劑，提高低溫下反應(yīng)的催化活性和穩(wěn)定性。此外，也有研究者通過納米催化劑的設(shè)計(jì)和合成來提高其在低溫下的催化活性。

另外，選擇合適的堆體材料也可以提高低溫起動效果。比如，采用高溫材料來改進(jìn)電堆的溫控性能，增強(qiáng)其抗寒性能與壽命。

綜上所述，在研究PEM燃料電池電堆低溫起動時，不僅需要考慮氫氣供應(yīng)和催化劑活性等化學(xué)因素，還需要在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合固體材料、電流控制等多方面綜合考慮。當(dāng)然，為實(shí)現(xiàn)PEM燃料電池在低溫條件下的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，我們還需要不斷的嘗試和創(chuàng)新。未來，我們堅(jiān)信通過不斷優(yōu)化使用方法和制造技術(shù)，PEM燃料電池電堆在應(yīng)用上也會獲得更為廣泛的推廣和應(yīng)用。除了低溫起動問題，PEM燃料電池電堆在低溫環(huán)境下還面臨著其他的挑戰(zhàn)。例如，在低溫下電堆內(nèi)部的水汽可能會凝結(jié)成水滴，導(dǎo)致電堆冷卻失效，并影響電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。解決這一問題的方法包括采用多孔吸濕性材料、電堆內(nèi)部的通風(fēng)和加熱等措施。

此外，溫度變化還可以導(dǎo)致電堆的熱膨脹和收縮，如果這種變化過于劇烈，就可能導(dǎo)致電堆材料的疲勞和裂開。因此，對于PEM燃料電池電堆的設(shè)計(jì)來說，除了考慮材料的爆裂壓力和彈性模量等參數(shù)外，還需要結(jié)合具體應(yīng)用場景和環(huán)境因素，例如氣溫、濕度等，來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

除了以上挑戰(zhàn)外，低溫條件下電堆純水的凍結(jié)比較常見，這可能造成電堆冷啟動、加熱和維護(hù)過程中阻塞、損壞和功率降低的問題。為此，現(xiàn)有的研究主要采用高加運(yùn)動能來增加水的活動性，防止水分子的凝集和結(jié)晶，改進(jìn)電堆反應(yīng)速度和安全性。

除了PEM燃料電池電堆本身的設(shè)計(jì)和制造工藝，為了實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下更加高效和穩(wěn)定的運(yùn)行，將其與其他系統(tǒng)、設(shè)備和供應(yīng)鏈進(jìn)行有機(jī)結(jié)合也是必要的。例如，低溫下電堆的電力輸出會下降，因此我們需要相應(yīng)地調(diào)整電堆結(jié)構(gòu)和控制策略，同時也需要配套的高效而穩(wěn)定的儲能系統(tǒng)和電力管理系統(tǒng)等。

最后，PEM燃料電池的低溫性能不僅對于在極地環(huán)境下的應(yīng)用有關(guān)鍵意義，也是其在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的必要