An EIS approach to quantify the effects of inlet air relative humidity on the performance of proton exchange membrane fuel cells: A pathway to developing a novel fault diagnostic method

质子交换膜燃料电池 相对湿度 入口 环境科学 断层(地质) 湿度 燃料电池 材料科学 工艺工程 化学 计算机科学 化学工程 气象学 机械工程 工程类 物理 地质学 生物化学 地震学
作者
Oliver Schopen,Sriram Narayan,Marvin Beckmann,Aezid-Ul-Hassan Najmi,Thomas Esch,Bahman Shabani
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:58: 1302-1315 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2024.01.218
摘要

In this work, the effect of low air relative humidity on the operation of a polymer electrolyte membrane fuel cell is investigated. An innovative method through performing in situ electrochemical impedance spectroscopy is utilised to quantify the effect of inlet air relative humidity at the cathode side on internal ionic resistances and output voltage of the fuel cell. In addition, algorithms are developed to analyse the electrochemical characteristics of the fuel cell. For the specific fuel cell stack used in this study, the membrane resistance drops by over 39 % and the cathode side charge transfer resistance decreases by 23 % after increasing the humidity from 30 % to 85 %, while the results of static operation also show an increase of ∼2.2 % in the voltage output after increasing the relative humidity from 30 % to 85 %. In dynamic operation, visible drying effects occur at < 50 % relative humidity, whereby the increase of the air side stoichiometry increases the drying effects. Furthermore, other parameters, such as hydrogen humidification, internal stack structure, and operating parameters like stoichiometry, pressure, and temperature affect the overall water balance. Therefore, the optimal humidification range must be determined by considering all these parameters to maximise the fuel cell performance and durability. The results of this study are used to develop a health management system to ensure sufficient humidification by continuously monitoring the fuel cell polarisation data and electrochemical impedance spectroscopy indicators.
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