不同流场结构对质子交换膜燃料电池性能的影响*

李 兵 邓 林

(六安职业技术学院汽车与机电工程学院 安徽六安 237158)

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel Cell，PEMFC)是氢气和氧气通过电化学反应直接输出电能的能源装置，并且水是电化学反应的唯一反应产物[1]。与内燃机相比，PEMFC除了具备清洁无污染的突出优点外，还具备热效率高、高功率密度、低温启动性能好等优点，因此被认为是最佳的可再生能源之一，有望成为汽车等装置动力源的替代品.PEMFC主要是由电解质、电极和极板组组成，其中极板组内部设置有流场.在PEMFC的运行过程中，气体反应物分布在流场中，然后输送到催化剂所在的催化层[2]。流场的结构会对气体分布均匀性、欧姆损失、浓度损失、水热管理等产生影响，为了提升电池性能和寿命，可以通过优化传质和水热管理的途径来实现[3]。结构合理的流场可以使气体分布更加均匀，提高催化剂层活性面积，也可以将水及时排除电堆，避免“水淹”现象的产生，有利于质子穿过电解质，提升电池输出电流和功率。

PEMFC的流场主要有常规流场和三维流场，蛇形流场是一种使用较为广泛的常规流场，金属泡沫流场新型的三维流场[4]。金属泡沫的特有通孔结构，一直是PEMFC改善水热管理、气体均匀运输和提高电化学反应的气体分配器。与常规流场相比具备细微通孔结构的金属泡沫流场在孔隙率、气体分布、水热管理和质子传导等方面占据优势.Afshari[5]等在金属泡沫作为分配器的燃料电池性能研究中，发现使用金属泡沫增加了阴极催化剂表面的氧浓度和电流密度，并提高了其分布的均匀性，同时实现了更均匀的温度分布。Ahrae[6]等对金属泡沫的多孔性能和润湿性进行数值研究，发现在低加湿条件下，使用渗透性好的金属泡沫有利于实现更均匀的电流密度分布和更好的水热管理效果。孙允[7]在金属泡沫流场的理论和实验研究中，发现较为合适金属泡沫通孔结构可以使膜电极温度更加均匀且促进了传质效果，较平行流场最大功率密度可以提升15.6%。

图1为常规蛇形流场(a)和金属泡沫流场(b)。文章根据上述文献，通过实验测试对比了蛇形流场和450μm、580μm、800μm、1200μm四种不同孔径金属泡沫流场的电流密度和功率密度曲线，发现在一定条件下合适孔径金属泡沫流场能较大程度提升电池性能；加湿温度50℃和电池工作温度30℃时，孔径为580μm电池性能表现最优，最大电流密度最大可以达到347.89mA/cm2，较蛇形流场提升25.1%，最大功率密度可以达到100.45mV/cm2，较蛇形流场提升21.2%。

图1 常规蛇形流场(a)和金属泡沫流场(b)[8]

1 实验部分

1.1 实验材料

1.2 实验装置

PEMFC单体测试台架FX201-20；可编程直流电子负载FT6302A；气体流量计MCV-2SLPM-D/5M。

1.3 实验条件

阳极(氢气)气体压力0.5Mpa，气体流量0.04L/min，阴极(空气)气体压力0.4Mpa，气体流量0.1L/min，氮气压力0.5Mpa ，气体流量0.042L/min，燃料电池废气压力为大气压[9]。图2为PEMFC性能实验测试示意图。

图2 PEMFC性能测试示意图

1.4 实验步骤

使用热压机制备MEA：制备热压温度为125℃、热压压力为0.15Mpa、热压时间为3min.

(1)选择蛇形流场组装电池单体，组装扭矩为1.0Nm，使用氮气排空和除尘后对电池进行活化，以提升和稳定MEA性能；

(2)通过控温加湿瓶对空气加湿至温度为30℃，使用加热铜棒将电池内部温度加热至30℃、40℃、50℃，通过可编程直流电子负载FT6302A每间隔0.5min记录电池电压和电流参数；

(3)用四种不同孔径金属泡沫流场进行实验测试，按照上述实验步骤重复实验。

2 实验数据与分析

2.1 蛇形流场实验结果与分析

使用单蛇形石墨流场作为电池阴阳两极的气体分配器，对制备热压温度为125℃、热压压力为0.15Mpa、热压时间为3min的MEA在不同空气加湿温度和电池工作温度条件下进行实验测试。实验测试利用可编程直流电子负载FT6302A记录在空气加湿温度为30℃、40℃、50℃时，电池工作温度为30℃、40℃、50℃电压和电流参数，获得了功率密度曲线和伏安特性曲线。蛇形石墨流场的功率密度曲线和伏安特性曲线见图3。

a 加湿温度30℃

由图3可知，在相比同一加湿温度下，当温度为40℃时能获得电池的最大电流密度和最大功率密度，最大电流密度最大可以达到278mA/cm2，最大功率密度可以达到82.9mV/cm2。电流密度随着加湿温度的增加，呈先上升后下降的趋势，加湿温度40℃时最高；功率密度随着加湿温度的增加呈上升趋势，不同加湿温度最大功率密度相差无几。原因是当电池加湿温度增加，PEM的含水量逐渐增加，加湿温度30℃时湿润度不足，加湿温度50℃时含水量略多；加湿温度高于电池温度时，法拉第阻抗会随电池温度上升而降低，电池内部反应产生的水分含量减少，降低了传质阻力，电化学反应阻抗减小[10]。

2.2 金属泡沫流场实验结果与分析

2.2.1 450μm金属泡沫流场实验结果和分析 使用450μm镍金属泡沫作为电池阴阳两极的气体分配器，对制备热压温度为125℃、热压压力为0.15Mpa、热压时间为3min的MEA在不同空气加湿温度和电池工作温度条件下进行实验测试。实验测试利用可编程直流电子负载FT6302A记录在空气加湿温度为30℃、40℃、50℃时，电池工作温度为30℃、40℃、50℃电压和电流参数，获得了功率密度曲线和伏安特性曲线。图4为450μm金属泡沫流场在不同温度与湿度下的功率密度曲线和伏安特性曲线。

a 加湿温度30℃

由图4可知，孔径为450μm流场电池性能明显低于蛇形石墨流场，主要原因是通孔孔径较小导致气体传输受到阻碍，导致反应气体无法到达催化层，降低电化学反应速率。在任一加湿温度下，电池最大功率密度会随着电池工作温度的增加呈下降趋势，加湿温度为30℃时最大功率密度和最大电流密度均达到最大值，电池性能达到最优。450μm金属泡沫流场的电池性能对电池工作温度较为敏感，最大电流密度随着加湿温度增加逐渐提高，主要的原因是金属泡沫流场孔径过小，气体传输受到阻碍，反应气体和气态水分无法到达催化层，同时反应物液态水却无法及时排出，可能造成“水淹”现象，传质阻力加大，进一步降低了电化学反应速率，导致电池性能下降[11-12]。

2.2.2 580μm金属泡沫流场实验结果和分析 使用580μm镍金属泡沫作为电池阴阳两极的气体分配器，对制备热压温度为125℃、热压压力为0.15Mpa、热压时间为3min的MEA在不同空气加湿温度和电池工作温度条件下进行实验测试。实验测试利用可编程直流电子负载FT6302A记录在空气加湿温度为30℃、40℃、50℃时，电池工作温度为30℃、40℃、50℃电压和电流参数，获得了伏安特性曲线和功率密度曲线。表1为580μm金属泡沫流场在不同温度与湿度下的电流密度和功率密度。图5为580μm金属泡沫流场在不同温度与湿度下的功率密度曲线和伏安特性曲线。

表1 580μm金属泡沫流场最大电流密度和最大功率密度

a 加湿温度30℃

由表1和图5可知，孔径为580μm的电池性能明显优于蛇形石墨流场，主要原因是通孔有利于气体传输，导致反应气体和气态水顺利到达催化层，提升了电化学反应速率。580μm金属泡沫流场最大功率密度和最大电流密度随着加湿温度的增加呈上升趋势，加湿温度50℃和电池工作温度30℃时，电池性能达到最优，最大电流密度最大可以达到347.89mA/cm2，较蛇形流场提升25.1%，最大功率密度可以达到100.45mV/cm2，较蛇形流场提升21.2%。与450μm金属泡沫流场类似，在任一加湿温度下，电池最大功率密度和最大电流密度会随着电池工作温度的增加略呈下降趋势，但580μm金属泡沫流场的电池性能对加湿温度温度较为敏感，主要的原因是金属泡沫流场孔径较为合理，气体传输更加均匀，反应气体和气态水分顺利到达催化层，当加湿温度温度增加时，PEM处于较为湿润状态，欧姆电阻和传质阻力均会降低，进一步提升了电化学反应速率，有利于电池性能提升[13]。

2.2.3 800μm金属泡沫流场实验结果和分析 使用800μm镍金属泡沫作为电池阴阳两极的气体分配器，对制备热压温度为125℃、热压压力为0.15Mpa、热压时间为3min的MEA在不同空气加湿温度和电池工作温度条件下进行实验测试。实验测试利用可编程直流电子负载FT6302A记录在空气加湿温度为30℃、40℃、50℃时，电池工作温度为30℃、40℃、50℃电压和电流参数，获得了伏安特性曲线和功率密度曲线。图6为800μm金属泡沫流场在不同温度与湿度下的功率密度曲线和伏安特性曲线。

a 加湿温度30℃

由图可知，孔径为800μm的电池性能低于蛇形石墨流场，主要原因是通孔孔径较大不利于气体均匀传输，传质效果减弱，降低了电化学反应速率。800μm金属泡沫流场最大功率密度和最大电流密度随着工作温度的增加呈下降趋势，加湿温度与电池工作温度均30℃时，电池性能达到最优。与450μm金属泡沫流场类似，在任一加湿温度下，电池最大功率密度和最大电流密度会随着电池工作温度的增加呈下降趋势，800μm金属泡沫流场的电池性能对工作温度较为敏感，主要的原因是金属泡沫流场孔径较大，气体传输均匀性下降，电池欧姆阻抗和法拉第阻抗上升，不利于电化学反应进行，当工作温度温度增加时，PEM处于较为缺水状态，进一步降低了电化学反应速率，导致电池性能下降[14]。

2.2.4 1200μm金属泡沫流场实验结果和分析 使用800μm镍金属泡沫作为电池阴阳两极的气体分配器，对制备热压温度为125℃、热压压力为0.15Mpa、热压时间为3min的MEA在不同空气加湿温度和电池工作温度条件下进行实验测试。实验测试利用可编程直流电子负载FT6302A记录在空气加湿温度为30℃、40℃、50℃时，电池工作温度为30℃、40℃、50℃电压和电流参数，获得了伏安特性曲线和功率密度曲线。图7为1200μm金属泡沫流场在不同温度与湿度下的功率密度曲线和伏安特性曲线。

a 加湿温度30℃

由图7可知，孔径为1200μm的电池性能低于800μm金属泡沫流场，主要原因是通孔孔径进一步加大更加不利于气体均匀传输，传质效果继续减弱，进一步降低了电化学反应速率。1200μm金属泡沫流场电池性能表现与800μm金属泡沫流场趋于一致，导致性能下降的原因也是类似的，在这里不在重复。

3 结论

(1)与蛇形流场相比，合适的细微通孔结构金属泡沫流场气体均匀分布、水热管理、欧姆电阻和传质阻力等方面优于蛇形流场。

(2)对比四种不同孔径金属泡沫流场，580μm金属泡沫流场性能较佳；在加湿温度50℃和电池工作温度30℃时，电池性能达到最优，最大电流密度最大可以达到347.89mA/cm2，较蛇形流场提升25.1%，最大功率密度可以达到100.45mV/cm2，较蛇形流场提升21.2%。