西安交通大学，Journal of Power Source：吹扫优化实现高稳定性阳极封闭质子交换膜燃料电池

第一作者：尧兢

通讯作者：吴震、张早校

单位：西安交通大学

阳极封闭（DEA）操作模式可简化质子交换膜燃料电池PEMFC系统结构，但在该模式下氮氧交叉扩散会导致PEMFC性能随时间推移而下降。吹扫是恢复阳极封闭质子交换膜燃料电池（DEA-PEMFC）性能的有效方法。在以往的研究中，吹扫策略一般是根据表观电压降、持续时间或杂质浓度制定，而DEA-PEMFC内部场变量分布不均的问题较少受到关注。事实上，从阴极到阳极的氮氧交叉扩散不仅导致DEA-PEMFC性能下降，同时也加剧了DEA-PEMFC内部的不均匀性，可能诱发碳腐蚀等其他问题，对催化剂造成不可逆转的破坏。因此，根据DEA-PEMFC内部场变量的不均匀分布制定吹扫策略是提高其稳定性的有效途径。

近日，西安交通大学张早校和吴震课题组在国际知名期刊Journal of Power Source上发表题为“High-stability dead-end anode proton exchange membrane fuel cells by purge optimization”的研究文章。该工作建立了耦合氮氧交叉扩散的DEA-PEMFC三维瞬态模型，以描述了其内部物质传递和电化学反应过程。基于该模型，探究了电流密度、工作温度和阴极化学计量比等参数对不均匀电-热-水性能的影响。最后，根据场变量不均匀分布进行了吹扫优化，以实现DEA-PEMFC的高稳定性。

如图1所示，在稳态运行中，PEMFC输出电压随着电流密度的升高而降低，最高温度随着电流密度的升高而升高。PEMFC中大部分液态水被蒸发，导致液态水流量较低。

如图2所示，电压-时间曲线根据其趋势可分为三个阶段。在开始时，电压略微上升，因为在瞬态计算过程中阳极出口封闭，从而减少了水分蒸发，提高了质子交换膜中膜态水含量。接下来，由于阳极处的氮气和氧气积累，电压略有下降。然后在第三阶段，电压的降低速率加快。与第二阶段不同的是，该阶段靠近阳极出口位置的氢气浓度降低到非常低的值，因而该位置电化学反应几乎停止，显著影响了输出性能。

如图3所示，在计算开始时（20 s），电流密度沿流动方向先增加后减小，直到流道末端。因此，电流密度最大值出现在DEA-PEMFC中间。随着时间推移，靠近出口位置的电流密度显著降低，而靠近入口位置的电流密度有所提高。相应地，在靠近出口位置，过电压绝对值也随时间增加而降低，增加了局部碳腐蚀的风险。总体来看，随着时间的增加，氮氧交叉扩散会加剧DEA-PEMFC内部的不均匀性。统计结果表明，过电压标准差STDEV先略有下降，然后快速增加。此外，高工作电流密度下的过电压STDEV高于低工作电流密度下的STDEV。不同电流密度下，STDEV的最小值出现在100-140 s左右。

如图4所示，工作温度对交叉扩散速率有积极和消极两方面的影响。当工作温度从328.15 K升高到338.15 K时，氮气和氧气的交叉扩散速率几乎保持不变，因此328.15和338.15 K下电压-时间曲线几乎平行。当温度进一步升高到348.15 K时，可以观察到更快的电压下降。

如图5所示，阴极化学计量比对DEA-PEMFC性能的影响相对较小。在第二阶段，当DEA-PEMFC在低化学计量比（约3）下运行时，输出电压升高到更高水平（超过0.58 V），而第二阶段持续时间略短于高化学计量比下的持续时间。在第三阶段，阴极化学计量比为3的电压下降速率比高化学计量比下的电压下降速率快。

综上所述，不同条件下过电压STDEV均先减小后快速增大，STDEV下降主要处于第一阶段和第二阶段。因此，为了避免对PEMFC造成不可逆的损害，吹扫间隔也应包括在第一阶段和第二阶段。同时，为提高氢气利用率，吹扫间隔应较大。也就是说，吹扫开始时间应该接近第二阶段的结束时间。如图6所示，根据过电压的STDEV确定吹扫间隔为100 s，该吹扫间隔适用于所有讨论情况。在0.6 s的吹扫时间下，吹扫结束时电压降至最小值，与最大值相比降低了2.02%。相比之下，在0.2 s的吹扫时间下，最小电压比最大电压降低了0.95%。因此，0.2 s的吹扫时间有利于提高氢气利用率（99%以上），实现更加稳定的输出性能。总体而言，该吹扫优化可以实现DEA-PEMFC良好的电压稳定性。

吴震，博士，教授，博导，西安交通大学青年拔尖人才（A类），国家重点研发计划政府间重点专项项目首席科学家，现任职于西安交通大学化工学院化工过程机械所副所长兼支部书记，e-Prime国际期刊副主编，目前已发表国内外学术论文100多篇，其中SCI收录100余篇，授权发明专利30余项。主持国家重点研发计划专项国际合作项目、国家自然科学基金（2项）、陕西省重点研发计划专项重点项目（2项）等10多项。课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wuz2015/home。

张早校，博士，教授，博导，西安交通大学化工机械研究所所长，西安交通大学绿色高效能源化工过程装备科研团队责任教授，中国化工学会化工机械专业委员会副主任委员。主持和参加了碳捕集利用技术、储氢等储能装备技术、制冷与热泵的性能优化、化工过程综合与用能诊断、过程装备强化技术等50多个纵横向科研项目的研究工作，正在主持国家自然科学基金、企业委托项目等科研项目。已发表学术论文200余篇，授权发明专利30余件，获得北京市科技进步二等奖1项，教育部科技进步三等奖1项，中国石化科技进步二等奖1项，校科研成果奖4项。在2015年和2018年国际应用能源大会上两次获得最佳论文奖。课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhangzx。