商業(yè)尺寸質(zhì)子交換膜燃料電池性能實(shí)驗(yàn)研究

林 林，吳 睿，張欣欣

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能工程系，100083北京，linlin@ustb.edu.cn)

質(zhì)子交換膜燃料電池具有操作溫度低、啟動(dòng)迅速、能量密度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，特別適合定置型發(fā)電系統(tǒng)和傳輸工具的能源供應(yīng)上.水管理是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常，反應(yīng)氣需加濕以維持質(zhì)子交換膜足夠的濕潤(rùn)性，才能保證氫離子在膜內(nèi)的有效傳輸，但過(guò)高的反應(yīng)氣濕度及陰極反應(yīng)生成液態(tài)水不能有效移除又可能導(dǎo)致陰極水泛濫發(fā)生，產(chǎn)生傳質(zhì)限制［1-4］.

質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理可通操作條件的優(yōu)化匹配實(shí)現(xiàn).近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外燃料電池公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究，但公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)多集中于反應(yīng)面積＜25 cm2的小尺寸電池，對(duì)于適用于汽車(chē)等動(dòng)力裝置的反應(yīng)面積在200～600 cm2的商用質(zhì)子交換膜燃料電池報(bào)道極少［5-10］.具有長(zhǎng)流道的商用質(zhì)子交換膜燃料電池在很多方面性能與小尺寸質(zhì)子交換膜燃料電池不同，如:反應(yīng)物的輸運(yùn)、膜中水的分布、液態(tài)水的移除等［11-12］.

本文實(shí)驗(yàn)研究了電池操作溫度和反應(yīng)氣加濕溫度對(duì)反應(yīng)面積為256 cm2的蛇形流場(chǎng)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，為探析質(zhì)子交換膜膜厚度對(duì)電池水管理和電池性能的影響，分別采用了2種不同厚度的質(zhì)子交換膜Core 5621和Core 57加工單電池.該研究有助于進(jìn)一步了解燃料電池尺寸對(duì)電池內(nèi)部傳輸特性和電池性能的影響，也可為大尺寸燃料電池?cái)?shù)學(xué)建模提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)［13］.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由氣體供應(yīng)系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、電子負(fù)載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和單電池組成.氣體供應(yīng)系統(tǒng)提供氫、氧或空氣作為陽(yáng)極和陰極燃料，同時(shí)提供氮?dú)庥糜谠趯?shí)驗(yàn)前后充入系統(tǒng)管路和單電池以排除其他氣體.流量控制系統(tǒng)用以控制燃料入口流量.溫度控制系統(tǒng)包括1個(gè)加熱棒、T型熱電偶和Omega CN760000 PID溫度控制器，用于控制電池操作溫度.增濕系統(tǒng)通過(guò)控制加濕瓶中水的溫度調(diào)節(jié)燃料的入口加濕溫度.電子負(fù)載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均集成于 Advanced Screener Test Station Hydrogenics FCATS S-2000燃料電池測(cè)試平臺(tái)內(nèi)部，其最大輸出功率2 000 W，最大輸出電流400 A，用于測(cè)量燃料電池極化曲線.在測(cè)試電池極化曲線時(shí)，設(shè)定電池操作電壓恒定，最初電壓設(shè)定為0.975 V，每次實(shí)驗(yàn)按照0.05 V遞增.實(shí)驗(yàn)中保持陰陽(yáng)極燃料入口化學(xué)計(jì)量比恒定，陽(yáng)極為1.4，陰極為4.0.

1.2 電池材料和尺寸

測(cè)試燃料電池由本實(shí)驗(yàn)室自組裝.質(zhì)子膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵組件，主要作用是隔離陰陽(yáng)極燃料，防止電子從陽(yáng)極穿過(guò)陰極，同時(shí)使質(zhì)子從陽(yáng)極疏運(yùn)到陰極.質(zhì)子在質(zhì)子膜中的傳輸阻力與質(zhì)子膜的含水量密切相關(guān)，在相同操作條件下，不同厚度的膜中水的傳遞和分布特性差異顯著，因此膜厚度將影響其質(zhì)子傳輸能力.本文分別使用反應(yīng)面積為16 cm×16 cm的GORETEX@PRIMRA5621(Core 5621)和GORE-TEX@PRIMRA57(Core 57)質(zhì)子膜制成單電池.Core 5621質(zhì)子膜厚度為35 μm，陰極催化層催化劑為Pt(0.6 mg/cm2)，陽(yáng)極催化層催化劑為Pt、Ru合金(0.45 mg/cm2).Gore 57質(zhì)子膜厚度18 μm，陰極和陽(yáng)極催化層催化劑載量分別為0.4、0.2 mg/cm2.氣體擴(kuò)散層采用 GDL 10BC碳紙(SGL公司)，其尺寸和厚度分別為 16 cm× 16 cm和 366 μm.端板材料為鋁合金，面積22 cm×22 cm，厚度4 cm.集流板材料采用高導(dǎo)電銅，其表面鍍金以降低接觸電阻，面積為16 cm× 16 cm，厚度為0.2 cm.雙極板為純石墨板(SCHUNK公司)，面積為20.5 cm×20.5 cm，厚度為0.3 cm，在其上刻蝕蛇形流場(chǎng)，流場(chǎng)面積16 cm×16 cm.氣封墊片采用特氟龍制成，面積20.5 cm×20.5 cm，厚度0.03 cm.

2 結(jié)果與討論

2.1 電池操作溫度影響

圖1～3給出了燃料入口加濕溫度維持恒定時(shí)，2種電池在不同電池操作溫度下的極化曲線.由圖1可見(jiàn)，當(dāng)燃料入口加濕溫度保持70℃時(shí)，對(duì)于Core 5621，當(dāng)電池溫度低于燃料入口加濕溫度時(shí)，電池性能隨電池操作溫度增加而提升，但電池溫度高于燃料入口加濕溫度時(shí)，電池性能隨電池溫度增加而降低.這是因高操作溫度可增加催化劑反應(yīng)活性，同時(shí)可促進(jìn)液態(tài)水蒸發(fā)，防止過(guò)多液態(tài)水積累在陰極多孔層孔隙內(nèi)，阻礙氧氣傳輸，從而可提高電池性能.然而，當(dāng)電池操作溫度高于加濕溫度時(shí)，盡管催化層反應(yīng)活性隨電池溫度增加進(jìn)一步提高，但質(zhì)子交換膜內(nèi)部因水分過(guò)分蒸發(fā)而使膜干化，導(dǎo)致離子在膜內(nèi)傳輸阻抗增加，電池性能下降.對(duì)于Core 57，當(dāng)電池溫度從30℃增加到75℃時(shí)，電池性能連續(xù)提升.這是因?yàn)镃ore 57質(zhì)子膜厚度較薄，較少的水分就可保證薄膜的含水量，因此，即使電池溫度稍高于加濕溫度，仍可保證質(zhì)子膜的含水量，電池性能因此隨溫度增加繼續(xù)提升.可見(jiàn)電池性能隨電池溫度增加而提升的前提條件是保證質(zhì)子膜具有足夠的含水量.圖1還表明，Gore 57和Gore 5621電池性能在電池溫度30～65℃相差很小，Core 57性能略高于Core 5621，而當(dāng)電池溫度進(jìn)一步升高到75℃時(shí)，Core 57性能明顯優(yōu)于Core 5621.這是因?yàn)槿剂霞訚駵囟雀邥r(shí)，入口燃料中水蒸氣含量高，同時(shí)當(dāng)電池溫度較低時(shí)，電池內(nèi)部液態(tài)水蒸發(fā)速率低，從而可保證2種厚度薄膜中均有充分的水分，質(zhì)子傳導(dǎo)能力相當(dāng)，電池性能相差較小.但隨電池溫度進(jìn)一步升高，電池內(nèi)部液態(tài)水蒸發(fā)速率加快，電池內(nèi)部水的移除能力提高，而較厚的薄膜需要更多的水分維持質(zhì)子傳導(dǎo)，因此較厚薄膜中水含量不足，歐姆阻抗增大，其電池性能低于Core 57.

圖1 加濕溫度70℃時(shí)電池操作溫度對(duì)2種燃料電池性能影響

圖2 加濕溫度50℃時(shí)電池操作溫度對(duì)2種燃料電池性能影響

圖3 加濕溫度30℃時(shí)電池操作溫度對(duì)2種燃料電池性能影響

圖2和圖3進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)于Core5621，當(dāng)電池溫度低于燃料加濕溫度時(shí)，電池性能隨電池溫度增加而提升，但當(dāng)電池溫度高于燃料加濕溫度時(shí)，電池性能隨電池溫度增加而下降.對(duì)于Core 57，電池性能隨電池操作溫度增加同樣表現(xiàn)出先提升隨后下降的趨勢(shì)，但由于其質(zhì)子膜的含水量較容易滿足，電池性能開(kāi)始下降的臨界溫度應(yīng)高于Core 5621.

圖2表明，當(dāng)燃料入口加濕溫度保持50℃時(shí)，電池溫度在30和50℃時(shí)，Core 57性能比Gore 5621高，說(shuō)明當(dāng)燃料入口加濕溫度降低時(shí)，由于入口燃料中水蒸汽含量降低，在較低的電池溫度下就可體現(xiàn)出薄膜厚度對(duì)于薄膜含水量和歐姆阻抗的影響.而電池溫度增加至75℃時(shí)，Gore 57電池遠(yuǎn)優(yōu)于Core 5621，說(shuō)明在低的加濕溫度和高的電池溫度下，由于Core 5621質(zhì)子膜厚度較厚，其含水量遠(yuǎn)低于Core 57，電池歐姆阻抗過(guò)高，因而電池性能大大下降.圖3表明，當(dāng)燃料入口加濕溫度進(jìn)一步降低到30℃時(shí)，由于入口燃料含水量較低，在電池溫度為70℃時(shí)，由于較強(qiáng)的蒸發(fā)效應(yīng)，Core 57質(zhì)子膜的含水量也將不足，因此電池性能相對(duì)于操作溫度30℃時(shí)大大下降，但其性能仍遠(yuǎn)高于70℃電池溫度下的Core 5621.

綜上所述，在相同的電池操作溫度和燃料入口加濕溫度下，Core 57電池性能均高于 Gore 5621，因?yàn)檩^薄的薄膜只需要少量的水分便可保證薄膜的含水量，故Gore 57可在較高的電池操作溫度和較低的燃料入口加濕溫度下操作.當(dāng)燃料入口加濕溫度降低時(shí)，薄膜厚度的影響力將更加的顯著.圖4給出了Core 57和Core 5621在不同燃料入口加濕溫度下電池獲得最佳性能所對(duì)應(yīng)的操作溫度.圖4表明，最佳的電池性能為Core 57在加濕溫度70℃、電池溫度為75℃時(shí).最差的電池性能為Core 5621在加濕溫度30℃、電池溫度30℃時(shí).

圖4 2種燃料電池最佳的電池操作溫度與加濕溫度

2.2 陰陽(yáng)極加濕溫度影響

圖5給出了陽(yáng)極燃料為干氫氣，陰極燃料為加濕溫度70℃的空氣時(shí)，不同電池溫度下2種電池的極化曲線.結(jié)果再次顯示，在相同電池溫度下，Core 57性能優(yōu)于Core 5621.對(duì)于Core 5621而言，電池溫度為50和65℃時(shí)性能最佳，二者相差很小，電池溫度80℃性能最差.對(duì)于Core 57而言，電池溫度為65℃時(shí)性能最佳，電池溫度為30℃時(shí)，性能最差，但30℃時(shí)的性能也優(yōu)于Core 5612在50和65℃時(shí)的最佳性能.此結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于Core 57，由于薄膜厚度薄，且陰極燃料加濕溫度較高，陰極入口空氣含有較多的水蒸汽，同時(shí)陰極電化學(xué)反應(yīng)生成水，因此陰極側(cè)水分濃度較高，由陰極通過(guò)反向擴(kuò)散到達(dá)陽(yáng)極的水可幫助陽(yáng)極側(cè)薄膜具有較好的含水量，而Core 5621，由于薄膜較厚，反向擴(kuò)散的水不足以使陽(yáng)極側(cè)薄膜具有較好的含水量，因此其離子阻抗明顯高于Core 57，電池性能大大低于Core 57.對(duì)于Core 57和Core 5621，當(dāng)電池溫度上升到80℃時(shí)，盡管陰極入口燃料包含較多的水蒸氣，但由于水分的過(guò)分蒸發(fā)，使反向擴(kuò)散到達(dá)陽(yáng)極側(cè)質(zhì)子膜的水分減少，歐姆阻抗變高，因此性能隨溫度上升反而下降.特別是對(duì)于Core 5621，由于質(zhì)子膜較厚，其含水量越發(fā)不足，因此其性能甚至低于電池溫度30℃時(shí).

圖5 陽(yáng)極未加濕、陰極加濕溫度70℃時(shí)電池操作溫度對(duì)電池性能影響

圖6給出了陰極燃料為干空氣，陽(yáng)極燃料為加濕溫度70℃的氫氣時(shí)，不同電池溫度下2種電池的極化曲線.對(duì)于Core 57和Core 5621，電池溫度50℃時(shí)性能最佳，電池溫度80℃時(shí)性能最差.同時(shí)相同電池溫度下，Core 57性能均優(yōu)于Core 5621.

對(duì)比圖1和圖5可見(jiàn)，當(dāng)電池溫度為30℃和65℃時(shí)，Gore 57在陽(yáng)極燃料不加濕條件下電池性能優(yōu)于陽(yáng)極加濕溫度為70℃時(shí)的性能，此結(jié)果表明，在較低的電池溫度下，因?yàn)镃ore 57薄膜厚度薄，只需少量水分便可保持薄膜足夠的含水量，因此即使陽(yáng)極燃料不加濕，由陰極反向擴(kuò)散的水分也可使陽(yáng)極側(cè)薄膜保持足夠的含水量.當(dāng)陽(yáng)極燃料加濕溫度為70℃時(shí)，氫氣燃料中水蒸汽含量高，在較低的電池溫度下，水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，使多孔電池傳質(zhì)阻力增大，電池性能反而低于不加濕時(shí).但電池溫度進(jìn)一步上升到80℃時(shí)，Gore 57在陽(yáng)極燃料不加濕條件下電池性能開(kāi)始低于陽(yáng)極加濕時(shí)的性能，顯然由于電池溫度較高時(shí)，較強(qiáng)的蒸發(fā)效應(yīng)使電池內(nèi)部液態(tài)水移除速率提高，反向擴(kuò)散的水分不足以使陽(yáng)極側(cè)薄膜具有足夠的含水量，電池性能低于陽(yáng)極加濕時(shí).

圖6 陽(yáng)極加濕溫度70℃、陰極未加濕時(shí)電池操作溫度對(duì)電池性能影響

對(duì)比圖1和圖6可見(jiàn)，當(dāng)電池溫度為30和65℃時(shí)，Gore 57在陰極燃料不加濕條件下電池性能優(yōu)于陰極加濕溫度70℃時(shí).此結(jié)果表明，在較低的電池操作溫度下，即使陰極燃料不加濕，陰極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水及電滲透效應(yīng)也可使陰極側(cè)薄膜具有足夠的含水量.當(dāng)陰極燃料加濕溫度為70℃時(shí)，陰極入口燃料中水蒸汽含量高，在較低的電池溫度下，水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，使多孔電極傳質(zhì)阻力增大，電池性能反而低于不加濕時(shí).但電池操作溫度上升至80℃時(shí)，Core 57在陰極燃料不加濕條件下的電池性能開(kāi)始低于陰極燃料加濕時(shí)的性能，顯然由于電池溫度較高時(shí)，較強(qiáng)的蒸發(fā)效應(yīng)使電池內(nèi)部液態(tài)水移除速率提高，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)水及電滲效應(yīng)不足以使陰極側(cè)薄膜具有足夠的含水量，因此電池性能低于陰極加濕時(shí).

然而，對(duì)比圖1和圖5、6，對(duì)于較厚的Core 5621而言，在相同電池操作溫度下，無(wú)論陽(yáng)極燃料不加濕還是陰極燃料不加濕，其性能均低于燃料加濕時(shí).因此對(duì)于較厚的質(zhì)子膜，陰極和陽(yáng)極燃料加濕都是非常必要的.

3 結(jié)論

1)在相同的電池操作溫度和燃料入口加濕溫度下，Core 57電池性能均高于Gore 5621，因?yàn)檩^薄的質(zhì)子膜只需要少量水分便可保證薄膜的含水量，故Gore 57可在較高的電池操作溫度和較低的燃料入口加濕溫度下操作.當(dāng)燃料入口加濕溫度降低時(shí)，薄膜厚度的影響力將更加顯著.

2)在相同入口加濕溫度下，2種電池性能均隨電池操作溫度增加先提升然后下降，對(duì)于Core 5621，該轉(zhuǎn)變溫度等于燃料入口加濕溫度，對(duì)于Core 57，該轉(zhuǎn)變溫度高于燃料入口加濕溫度.

3)最佳的電池性能為Core 57在加濕溫度70℃、電池溫度為75℃時(shí).最差的電池性能為Core 5621在加濕溫度30℃、電池溫度30℃時(shí).

4)當(dāng)陽(yáng)極燃料或陰極燃料不加濕時(shí)，較低的電池操作溫度下，Core 57電池性能高于陽(yáng)極燃料或陰極燃料加濕時(shí)，但較高的電池操作溫度下，Core 57電池性能低于陽(yáng)極燃料或陰極燃料加濕時(shí).對(duì)于Core 5621，陽(yáng)極燃料或陰極燃料不加濕時(shí)，電池性能均低于陽(yáng)極燃料或陰極燃料加濕時(shí)，因此對(duì)較厚的質(zhì)子膜，陽(yáng)極燃料和陰極燃料同時(shí)加濕是十分必要的.

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