Experimental study of the effects of operating conditions on the performance and stability of a PEM fuel cell supplied with dry air analysed with a segmented cell
Etude expérimentale des effets des conditions opératoires sur les performances et la stabilité d’une pile à combustible PEM alimentée en air sec analysée avec une cellule segmentée
Résumé
In order to meet the increased requirements in terms of efficiency and compactness of the fuel cell system for applications in heavy-duty vehicles, the PEMFC fuel cell need to operate at low humidity and high temperature in order to reduce the costs and volume associated with the use of humidifiers and heat exchangers. This study proposes to analyse how operating conditions impact fuel cell performance and stability when the fuel cell is supplied with dry air.
We selected operating conditions representative of a high-power application. Based on these reference conditions, we varied certain operating conditions, such as pressure, air stoichiometry and temperature, in order to analyse the performance and operating stability of the fuel cell when supplied with dry air. This experimental study is being carried out using a segmented cell, which makes it possible to study changes in local current distribution locally and to carry out local electrochemical characterisations such as impedance spectroscopy.
Experiments have shown that it is possible to ensure stable operation of the cell when it is supplied with dry air, by adjusting certain operating conditions. For example, an increase in pressure helps to saturate the gases with moisture from the water produced inside the cell. Similarly, reducing the air stoichiometry can also facilitate dry operation by reducing membrane drying. In addition, an increase in relative humidity and hydrogen stoichiometry can also improve the hydration of the membrane by the anode, which favours operation with dry air.
Afin de répondre aux exigences accrues en matière d'efficacité et de compacité du système pile à combustible pour les applications en véhicules lourds, la pile à combustible (de type PEMFC) est amenée à fonctionner dans des conditions de faible humidité et de haute température afin diminuer les coûts et le volume liés à l’utilisation d'humidificateurs et aux échangeurs de chaleurs. Ainsi, cette étude propose d’analyser comment les conditions opératoires impactent les performances et la stabilité de la pile à combustible lorsque la pile est alimentée en air sec.
Dans notre étude, nous avons sélectionné des conditions de fonctionnement représentatives d'une application à forte puissance. A partir de ces conditions de référence, nous avons fait varier certaines conditions opératoires, telles que la pression, la stœchiométrie de l'air et la température, afin d'analyser les performances et la stabilité du fonctionnement de la pile à combustible lorsqu'elle est alimentée en air sec. Cette étude expérimentale est menée à l’aide d’une cellule segmentée, ce qui permet d’étudier localement l’évolution de la distribution des courants locaux et de réaliser des caractérisations électrochimiques locales telles que des spectroscopies d’impédance.
Les expériences menées ont démontré qu'il est possible d'assurer un fonctionnement stable de la pile lorsqu'elle est alimentée en air sec, en ajustant certaines conditions opératoires. Par exemple, une augmentation de la pression est favorable à la saturation en humidité des gaz par l’eau produite à l'intérieur de la pile. De même, une réduction de la stœchiométrie de l'air peut également faciliter le fonctionnement à sec en diminuant l’assèchement de la membrane. En outre, une augmentation de l'humidité relative et de la stœchiométrie de l'hydrogène permet également d'améliorer l'hydratation de la membrane par l'anode, ce qui favorise le fonctionnement avec de l’air sec.
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