商业尺寸质子交换膜燃料电池性能实验研究

林 林，吴 睿，张欣欣

(1.北京科技大学机械工程学院热能工程系，100083北京，linlin@ustb.edu.cn)

质子交换膜燃料电池具有操作温度低、启动迅速、能量密度高、结构设计简单等特点，特别适合定置型发电系统和传输工具的能源供应上.水管理是质子交换膜燃料电池的关键技术之一，通常，反应气需加湿以维持质子交换膜足够的湿润性，才能保证氢离子在膜内的有效传输，但过高的反应气湿度及阴极反应生成液态水不能有效移除又可能导致阴极水泛滥发生，产生传质限制［1-4］.

质子交换膜燃料电池的水管理可通操作条件的优化匹配实现.近年来，国内外燃料电池公司和研究机构对此开展了大量实验研究，但公开发表的文献多集中于反应面积＜25 cm2的小尺寸电池，对于适用于汽车等动力装置的反应面积在200～600 cm2的商用质子交换膜燃料电池报道极少［5-10］.具有长流道的商用质子交换膜燃料电池在很多方面性能与小尺寸质子交换膜燃料电池不同，如:反应物的输运、膜中水的分布、液态水的移除等［11-12］.

本文实验研究了电池操作温度和反应气加湿温度对反应面积为256 cm2的蛇形流场质子交换膜燃料电池性能的影响，为探析质子交换膜膜厚度对电池水管理和电池性能的影响，分别采用了2种不同厚度的质子交换膜Core 5621和Core 57加工单电池.该研究有助于进一步了解燃料电池尺寸对电池内部传输特性和电池性能的影响，也可为大尺寸燃料电池数学建模提供实验数据.

1 实验

1.1 系统组成

实验系统的详细介绍见文献［13］.实验系统由气体供应系统、流量控制系统、温度控制系统、增湿系统、电子负载系统、数据采集系统和单电池组成.气体供应系统提供氢、氧或空气作为阳极和阴极燃料，同时提供氮气用于在实验前后充入系统管路和单电池以排除其他气体.流量控制系统用以控制燃料入口流量.温度控制系统包括1个加热棒、T型热电偶和Omega CN760000 PID温度控制器，用于控制电池操作温度.增湿系统通过控制加湿瓶中水的温度调节燃料的入口加湿温度.电子负载系统和数据采集系统均集成于 Advanced Screener Test Station Hydrogenics FCATS S-2000燃料电池测试平台内部，其最大输出功率2 000 W，最大输出电流400 A，用于测量燃料电池极化曲线.在测试电池极化曲线时，设定电池操作电压恒定，最初电压设定为0.975 V，每次实验按照0.05 V递增.实验中保持阴阳极燃料入口化学计量比恒定，阳极为1.4，阴极为4.0.

1.2 电池材料和尺寸

测试燃料电池由本实验室自组装.质子膜作为质子交换膜燃料电池关键组件，主要作用是隔离阴阳极燃料，防止电子从阳极穿过阴极，同时使质子从阳极疏运到阴极.质子在质子膜中的传输阻力与质子膜的含水量密切相关，在相同操作条件下，不同厚度的膜中水的传递和分布特性差异显著，因此膜厚度将影响其质子传输能力.本文分别使用反应面积为16 cm×16 cm的GORETEX@PRIMRA5621(Core 5621)和GORE-TEX@PRIMRA57(Core 57)质子膜制成单电池.Core 5621质子膜厚度为35 μm，阴极催化层催化剂为Pt(0.6 mg/cm2)，阳极催化层催化剂为Pt、Ru合金(0.45 mg/cm2).Gore 57质子膜厚度18 μm，阴极和阳极催化层催化剂载量分别为0.4、0.2 mg/cm2.气体扩散层采用 GDL 10BC碳纸(SGL公司)，其尺寸和厚度分别为 16 cm× 16 cm和 366 μm.端板材料为铝合金，面积22 cm×22 cm，厚度4 cm.集流板材料采用高导电铜，其表面镀金以降低接触电阻，面积为16 cm× 16 cm，厚度为0.2 cm.双极板为纯石墨板(SCHUNK公司)，面积为20.5 cm×20.5 cm，厚度为0.3 cm，在其上刻蚀蛇形流场，流场面积16 cm×16 cm.气封垫片采用特氟龙制成，面积20.5 cm×20.5 cm，厚度0.03 cm.

2 结果与讨论

2.1 电池操作温度影响

图1～3给出了燃料入口加湿温度维持恒定时，2种电池在不同电池操作温度下的极化曲线.由图1可见，当燃料入口加湿温度保持70℃时，对于Core 5621，当电池温度低于燃料入口加湿温度时，电池性能随电池操作温度增加而提升，但电池温度高于燃料入口加湿温度时，电池性能随电池温度增加而降低.这是因高操作温度可增加催化剂反应活性，同时可促进液态水蒸发，防止过多液态水积累在阴极多孔层孔隙内，阻碍氧气传输，从而可提高电池性能.然而，当电池操作温度高于加湿温度时，尽管催化层反应活性随电池温度增加进一步提高，但质子交换膜内部因水分过分蒸发而使膜干化，导致离子在膜内传输阻抗增加，电池性能下降.对于Core 57，当电池温度从30℃增加到75℃时，电池性能连续提升.这是因为Core 57质子膜厚度较薄，较少的水分就可保证薄膜的含水量，因此，即使电池温度稍高于加湿温度，仍可保证质子膜的含水量，电池性能因此随温度增加继续提升.可见电池性能随电池温度增加而提升的前提条件是保证质子膜具有足够的含水量.图1还表明，Gore 57和Gore 5621电池性能在电池温度30～65℃相差很小，Core 57性能略高于Core 5621，而当电池温度进一步升高到75℃时，Core 57性能明显优于Core 5621.这是因为燃料加湿温度高时，入口燃料中水蒸气含量高，同时当电池温度较低时，电池内部液态水蒸发速率低，从而可保证2种厚度薄膜中均有充分的水分，质子传导能力相当，电池性能相差较小.但随电池温度进一步升高，电池内部液态水蒸发速率加快，电池内部水的移除能力提高，而较厚的薄膜需要更多的水分维持质子传导，因此较厚薄膜中水含量不足，欧姆阻抗增大，其电池性能低于Core 57.

图1 加湿温度70℃时电池操作温度对2种燃料电池性能影响

图2 加湿温度50℃时电池操作温度对2种燃料电池性能影响

图3 加湿温度30℃时电池操作温度对2种燃料电池性能影响

图2和图3进一步验证，对于Core5621，当电池温度低于燃料加湿温度时，电池性能随电池温度增加而提升，但当电池温度高于燃料加湿温度时，电池性能随电池温度增加而下降.对于Core 57，电池性能随电池操作温度增加同样表现出先提升随后下降的趋势，但由于其质子膜的含水量较容易满足，电池性能开始下降的临界温度应高于Core 5621.

图2表明，当燃料入口加湿温度保持50℃时，电池温度在30和50℃时，Core 57性能比Gore 5621高，说明当燃料入口加湿温度降低时，由于入口燃料中水蒸汽含量降低，在较低的电池温度下就可体现出薄膜厚度对于薄膜含水量和欧姆阻抗的影响.而电池温度增加至75℃时，Gore 57电池远优于Core 5621，说明在低的加湿温度和高的电池温度下，由于Core 5621质子膜厚度较厚，其含水量远低于Core 57，电池欧姆阻抗过高，因而电池性能大大下降.图3表明，当燃料入口加湿温度进一步降低到30℃时，由于入口燃料含水量较低，在电池温度为70℃时，由于较强的蒸发效应，Core 57质子膜的含水量也将不足，因此电池性能相对于操作温度30℃时大大下降，但其性能仍远高于70℃电池温度下的Core 5621.

综上所述，在相同的电池操作温度和燃料入口加湿温度下，Core 57电池性能均高于 Gore 5621，因为较薄的薄膜只需要少量的水分便可保证薄膜的含水量，故Gore 57可在较高的电池操作温度和较低的燃料入口加湿温度下操作.当燃料入口加湿温度降低时，薄膜厚度的影响力将更加的显著.图4给出了Core 57和Core 5621在不同燃料入口加湿温度下电池获得最佳性能所对应的操作温度.图4表明，最佳的电池性能为Core 57在加湿温度70℃、电池温度为75℃时.最差的电池性能为Core 5621在加湿温度30℃、电池温度30℃时.

图4 2种燃料电池最佳的电池操作温度与加湿温度

2.2 阴阳极加湿温度影响

图5给出了阳极燃料为干氢气，阴极燃料为加湿温度70℃的空气时，不同电池温度下2种电池的极化曲线.结果再次显示，在相同电池温度下，Core 57性能优于Core 5621.对于Core 5621而言，电池温度为50和65℃时性能最佳，二者相差很小，电池温度80℃性能最差.对于Core 57而言，电池温度为65℃时性能最佳，电池温度为30℃时，性能最差，但30℃时的性能也优于Core 5612在50和65℃时的最佳性能.此结果说明，对于Core 57，由于薄膜厚度薄，且阴极燃料加湿温度较高，阴极入口空气含有较多的水蒸汽，同时阴极电化学反应生成水，因此阴极侧水分浓度较高，由阴极通过反向扩散到达阳极的水可帮助阳极侧薄膜具有较好的含水量，而Core 5621，由于薄膜较厚，反向扩散的水不足以使阳极侧薄膜具有较好的含水量，因此其离子阻抗明显高于Core 57，电池性能大大低于Core 57.对于Core 57和Core 5621，当电池温度上升到80℃时，尽管阴极入口燃料包含较多的水蒸气，但由于水分的过分蒸发，使反向扩散到达阳极侧质子膜的水分减少，欧姆阻抗变高，因此性能随温度上升反而下降.特别是对于Core 5621，由于质子膜较厚，其含水量越发不足，因此其性能甚至低于电池温度30℃时.

图5 阳极未加湿、阴极加湿温度70℃时电池操作温度对电池性能影响

图6给出了阴极燃料为干空气，阳极燃料为加湿温度70℃的氢气时，不同电池温度下2种电池的极化曲线.对于Core 57和Core 5621，电池温度50℃时性能最佳，电池温度80℃时性能最差.同时相同电池温度下，Core 57性能均优于Core 5621.

对比图1和图5可见，当电池温度为30℃和65℃时，Gore 57在阳极燃料不加湿条件下电池性能优于阳极加湿温度为70℃时的性能，此结果表明，在较低的电池温度下，因为Core 57薄膜厚度薄，只需少量水分便可保持薄膜足够的含水量，因此即使阳极燃料不加湿，由阴极反向扩散的水分也可使阳极侧薄膜保持足够的含水量.当阳极燃料加湿温度为70℃时，氢气燃料中水蒸汽含量高，在较低的电池温度下，水蒸汽凝结成液态水，使多孔电池传质阻力增大，电池性能反而低于不加湿时.但电池温度进一步上升到80℃时，Gore 57在阳极燃料不加湿条件下电池性能开始低于阳极加湿时的性能，显然由于电池温度较高时，较强的蒸发效应使电池内部液态水移除速率提高，反向扩散的水分不足以使阳极侧薄膜具有足够的含水量，电池性能低于阳极加湿时.

图6 阳极加湿温度70℃、阴极未加湿时电池操作温度对电池性能影响

对比图1和图6可见，当电池温度为30和65℃时，Gore 57在阴极燃料不加湿条件下电池性能优于阴极加湿温度70℃时.此结果表明，在较低的电池操作温度下，即使阴极燃料不加湿，阴极电化学反应产生的水及电渗透效应也可使阴极侧薄膜具有足够的含水量.当阴极燃料加湿温度为70℃时，阴极入口燃料中水蒸汽含量高，在较低的电池温度下，水蒸汽凝结成液态水，使多孔电极传质阻力增大，电池性能反而低于不加湿时.但电池操作温度上升至80℃时，Core 57在阴极燃料不加湿条件下的电池性能开始低于阴极燃料加湿时的性能，显然由于电池温度较高时，较强的蒸发效应使电池内部液态水移除速率提高，电化学反应产生的液态水及电渗效应不足以使阴极侧薄膜具有足够的含水量，因此电池性能低于阴极加湿时.

然而，对比图1和图5、6，对于较厚的Core 5621而言，在相同电池操作温度下，无论阳极燃料不加湿还是阴极燃料不加湿，其性能均低于燃料加湿时.因此对于较厚的质子膜，阴极和阳极燃料加湿都是非常必要的.

3 结论

1)在相同的电池操作温度和燃料入口加湿温度下，Core 57电池性能均高于Gore 5621，因为较薄的质子膜只需要少量水分便可保证薄膜的含水量，故Gore 57可在较高的电池操作温度和较低的燃料入口加湿温度下操作.当燃料入口加湿温度降低时，薄膜厚度的影响力将更加显著.

2)在相同入口加湿温度下，2种电池性能均随电池操作温度增加先提升然后下降，对于Core 5621，该转变温度等于燃料入口加湿温度，对于Core 57，该转变温度高于燃料入口加湿温度.

3)最佳的电池性能为Core 57在加湿温度70℃、电池温度为75℃时.最差的电池性能为Core 5621在加湿温度30℃、电池温度30℃时.

4)当阳极燃料或阴极燃料不加湿时，较低的电池操作温度下，Core 57电池性能高于阳极燃料或阴极燃料加湿时，但较高的电池操作温度下，Core 57电池性能低于阳极燃料或阴极燃料加湿时.对于Core 5621，阳极燃料或阴极燃料不加湿时，电池性能均低于阳极燃料或阴极燃料加湿时，因此对较厚的质子膜，阳极燃料和阴极燃料同时加湿是十分必要的.

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