[发明专利]基于物理场分布非均匀性的质子交换膜燃料电池运行方法

说明书

本发明提供基于物理场分布非均匀性的质子交换膜燃料电池运行方法，包括以下步骤：建立实验模型；对实验模型进行极化曲线测试；调整操作条件；绘制极化曲线与功率曲线；建立相应的数值矩阵；将物理场分布进行数值表示，得出PEMFC非均匀性的大小；在不同操作条件下，绘制在同一坐标系下PEMFC温度分布、电流密度分布非均匀性关于电流密度的关系图；绘制关于电流密度非均匀性与PEMFC输出功率的曲线,温度非均匀性与PEMFC输出功率的曲线；提取相应的特征表达式计算出PEMFC输出功率；对比传统的极化/功率曲线与非均匀性PEMFC输出功率的曲线，以及计算出的PEMFC输出功率，即可得出不同电流密度下的最佳运行温度。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种基于物理场分布非均匀性的质子交换膜燃料电池运行方法。

背景技术

长久以来，国际社会高度关注由于化石能源消耗带来的能源短缺与环境污染问题，并逐步开展对环境友好、可持续的能量转换技术。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将原料中的化学能直接转变成电能的“化学能发电”装置，其能量转换效率不受卡诺循环的限制，电池组的发电效率可达50％以上，PEMFC具有环境友好、启动特性优良和能量转换效率高等特征，可望在诸多领域得到应用。然而，因为其运行寿命低、铂材料昂贵等不足仍限制其大规模商业化。

对于大多数PEMFC而言，铂是膜电极组件(Membrane Electrode Assembly,MEA)中必不可少的。因此，对于工业用PEMFC，如何制定满意的运行方法以提高剩余使用寿命(Remaining Useful Lifetime,RUL)是降低使用成本的主要问题之一。现有的研究报告表明，内部物理场分布的非均匀性将加速PEMFC的衰退，从而导致使用寿命缩短。因此，如何减小物理场分布的非均匀性，例如局部温度、电流等，同时保持高效的输出性能，对于提高PEMFC的耐久性具有重要意义。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的极化曲线和功率曲线是表征其输出性能的有效方法。其中，功率曲线用于表征同一电流下PEMFC的输出功率。由于PEMFC的运行易受条件的影响，因此将不同操作条件下测得的功率曲线在同一坐标系下进行比较是目前一种常见的优化PEMFC运行条件的方法。对于运行温度而言，当前研究主要根据曲线上对应电流下更高的输出功率进行优化PEMFC运行条件。该方法能够有效地使PEMFC避免运行于温度过高或过低。然而，对于适宜的运行温度，尽管现有的基于传统功率曲线的方法仍然能够在不同温度下为PEMFC找到合适的功率输出区间(即电流范围)，但是此时PEMFC在不同温度下的输出功率差异较小。因此，如何进一步区分并优化PEMFC的运行条件是一个挑战。

目前，已有研究报道PEMFC内部物理场分布的非均匀性会影响其使用寿命，并且非均匀性为PEMFC造成的影响是一个恶性循环，即：物理场分布的非均匀性会导致PEMFC内部组件衰退非均匀，而衰退的非均匀反而进一步导致PEMFC运行时物理场分布的非均匀性。因此，如何使PEMFC保持高性能输出的同时使内部物理场分布维持在一个较低的水平对于延长PEMFC耐久性在工程应用上具有重要意义。

PEMFC的极化曲线和功率曲线是评估整体性能的常见且有效的方法。极化曲线通常按照以下程序进行测试：在稳定温度和整个电流范围内(通常从零到极限电流)，通过PEMFC测试系统在每个采样时间记录电池电压、功率。目前，极化曲线主要用于优化PEMFC的运行条件以及作为评估工具。

对于运行温度而言，当前研究主要根据曲线上对应电流下更高的输出功率进行优化PEMFC运行条件。该方法能够有效地使PEMFC避免运行于温度过高或过低。然而，对于适宜的运行温度，尽管现有的基于传统功率曲线的方法仍然能够在不同温度下为PEMFC找到合适的功率输出区间(即电流范围)，但是此时PEMFC在不同温度下的输出功率差异较小。

综上所述，现有的质子交换膜燃料电池运行方法存在以下缺点：