王永湛胡寶寶高旭峰

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2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院

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0 引言

近年來，資本市場(chǎng)持續(xù)看好氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)，不斷加大投入。同時(shí)，從中央到地方對(duì)氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)的大力支持，使產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。目前，國內(nèi)氫能及燃料電池發(fā)展，表現(xiàn)為以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為主要產(chǎn)品、以車用為主要應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)[1]。PEMFC不受卡諾循環(huán)的限制[2]，具有低溫運(yùn)行、零污染排放、轉(zhuǎn)化效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)[3]，被認(rèn)為最有可能替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的能量裝置之一。

雙極板是PEMFC的重要部件之一，是燃料電池電堆重要的質(zhì)量組成，占據(jù)了電堆約80%的體積。隨著市場(chǎng)化推進(jìn)的深入，燃料電池也逐漸向更大功率發(fā)展，使用的雙極板數(shù)量也越來越多，有些電堆雙極板數(shù)量已經(jīng)超過500片，雙極板的可靠性對(duì)電堆可靠性起到?jīng)Q定性的作用。在燃料電池內(nèi)，雙極板主要肩負(fù)分配反應(yīng)氣體、傳導(dǎo)電流和熱量、為反應(yīng)生成物（水蒸氣和液態(tài)水）提供排出的流道等功能[4]，其詳細(xì)的功能、屬性及特征描述見圖1。為滿足其功能屬性，雙極板必須具有較高的電導(dǎo)率、較低的氫滲透率和較高的導(dǎo)熱率，并需要足夠的機(jī)械強(qiáng)度為膜電極組件提供結(jié)構(gòu)支撐。為此，研究人員已經(jīng)研究了不同類型的極板材料，如金屬、合金、金屬涂層、石墨、復(fù)合材料等，致力于開發(fā)具有成本效益的輕質(zhì)雙極板。在這些材料中，石墨雙極板憑借優(yōu)良的耐電化學(xué)腐蝕性、高電導(dǎo)率和低比重等優(yōu)勢(shì)，成了雙極板制造的主流選擇[5]。

圖1 燃料電池雙極板的功能屬性[4]

石墨是典型的多孔脆性材料，自身機(jī)械強(qiáng)度較差，為了改善其強(qiáng)度的不足，并獲得一定的氣密性，在石墨雙極板制造過程中需要將石墨板浸潤在樹脂（PF、EP、PPS等）中進(jìn)行封孔處理[6,7]。處理后的石墨板須經(jīng)過機(jī)加工、注塑成型或者模壓成型等處理[6]形成氫氣腔、空氣腔和水腔，然后利用特殊的膠粘接在一起最終形成雙極板。其中，雙極板水腔通常流通去離子水或冷卻液（例如，50%體積分?jǐn)?shù)的乙二醇水溶液）進(jìn)行燃料電池堆溫度控制。為此，石墨雙極板必須長(zhǎng)期經(jīng)受去離子水或冷卻液的浸泡沖刷，在這過程中，多孔石墨中填充的樹脂存在溶解流失等潛在風(fēng)險(xiǎn)[8]，Kinumoto等人利用掃描電子顯微鏡已經(jīng)觀察到石墨基內(nèi)填充樹脂的熱分解現(xiàn)象[9]。同時(shí)，電堆工作過程中自身溫度不斷變化（-30℃冷啟動(dòng)，60~90℃運(yùn)行），加之陽極腔和陰極腔體內(nèi)壓力波動(dòng)，使石墨雙極板不斷經(jīng)受反復(fù)變化的受力和溫度作用，從而引起石墨雙極板局部翹曲變形、產(chǎn)生微裂紋、氣密性降低等情況，造成冷卻液、氧化劑、還原劑的滲漏量增加，甚至出現(xiàn)電堆內(nèi)漏、膜電極污染等嚴(yán)重問題，導(dǎo)致電堆性能下降甚至最終失效。

針對(duì)石墨雙極板在去離子水或冷卻液浸泡沖刷下失效的現(xiàn)象，開發(fā)燃料電池堆沖刷快速測(cè)試臺(tái)架，可用來探究石墨雙極板的物理腐蝕特性，能夠在較短時(shí)間內(nèi)方便快捷實(shí)現(xiàn)對(duì)PEMFC石墨雙極板的低溫耐久性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

1 電堆冷熱沖刷測(cè)試平臺(tái)

基于燃料電池堆雙極板冷熱沖刷測(cè)試臺(tái)架的需求，將整個(gè)測(cè)試臺(tái)架劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，分別是工質(zhì)供給單元（提供去離子水或者冷卻液），控制系統(tǒng)（操作上位機(jī)通過控制板控制工質(zhì)的溫度和壓力），被測(cè)元件平臺(tái)（燃料電池堆，進(jìn)出口安裝溫度、壓力傳感器，管路安裝渦輪流量計(jì)）和安全保護(hù)系統(tǒng)（維持各腔體壓力平衡和泄漏急停），各子系統(tǒng)之間的關(guān)系見圖2。

圖2 測(cè)試平臺(tái)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系

燃料電池堆沖刷測(cè)試平臺(tái)的主要功能是給電堆內(nèi)雙極板水腔側(cè)提供設(shè)定流量、設(shè)定壓力、設(shè)定溫度的去離子水或冷卻液，同時(shí)這些參數(shù)能夠依據(jù)測(cè)試要求快速響應(yīng)。為滿足加速測(cè)試的需求，平臺(tái)提供的工質(zhì)需能夠快速地冷熱切換（-30~90℃）。開發(fā)的電池堆快速?zèng)_刷測(cè)試平臺(tái)的示意圖見圖3。沖刷電堆雙極板的工質(zhì)溫度主要是通過切換閥門開閉來確定是由冷水箱或熱水箱提供工質(zhì)。不同水箱內(nèi)工質(zhì)溫度維持方式不同，其中熱水箱工質(zhì)溫度是通過控制水箱內(nèi)電加熱器升溫，冷水箱則放置在低溫環(huán)境倉，并配置水泵和換熱器將水箱內(nèi)工質(zhì)溫度控制在所需較低溫度。工質(zhì)的流量是通過變頻水泵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和主管路比例閥調(diào)節(jié)開度綜合控制，由比例閥精準(zhǔn)調(diào)節(jié)開度達(dá)到所需流量控制精度。冷、熱水箱內(nèi)工質(zhì)液面上方為填充氮?dú)?，通過電控調(diào)節(jié)閥確定氣體壓力，可以控制沖刷燃料電池堆工質(zhì)的壓力。此外，儲(chǔ)水箱上方的氮?dú)馀c被測(cè)電堆的氫氣腔和空氣腔連接，維持腔體間壓力平衡，防止電堆內(nèi)不同腔體間壓差過大損毀電堆。上述工質(zhì)的溫度、壓力、流量控制均由控制系統(tǒng)的上位機(jī)操作，通過自主開發(fā)的控制板監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)控制一系列電磁閥門。電堆沖刷測(cè)試平臺(tái)開發(fā)的專用上位機(jī)軟件的操作界面見圖4。

圖3 電池堆快速?zèng)_刷測(cè)試平臺(tái)示意圖

圖4 控制系統(tǒng)上位機(jī)操作界面

2 電堆沖刷測(cè)試條件設(shè)置

依據(jù)電池堆沖刷平臺(tái)設(shè)計(jì)功能，此次測(cè)試選擇沖刷電堆的工質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)50%的乙二醇水溶液，滿足工質(zhì)低溫端-35℃的需求。工質(zhì)流量的選擇在0.6 LPM/片和1.2 LPM/片之間循環(huán)切換，總流量由所選電堆結(jié)構(gòu)決定。壓力控制電堆出口端壓力，溫度控制電堆入口端溫度。測(cè)試設(shè)置條件見表1。

表1 測(cè)試條件

3 測(cè)試平臺(tái)工況參數(shù)響應(yīng)

根據(jù)表1的測(cè)試條件，在上位機(jī)設(shè)置了相關(guān)參數(shù)進(jìn)行燃料電池堆冷熱沖刷測(cè)試，圖5展示了5 000 s內(nèi)相關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。根據(jù)選擇的電堆，沖刷冷卻液的總流量在100 LPM和200 LPM之間切換。冷卻液流量動(dòng)態(tài)變化見圖5(a)，在大部分時(shí)間內(nèi)，流量供應(yīng)滿足設(shè)置需求，但是在低流量向高流量切換時(shí)，供給流量存在20 LPM的過沖，但很快會(huì)收斂到200 LPM附近，高流量向低流量切換時(shí)則不存在此現(xiàn)象。此外，在低溫沖刷時(shí)，由于防凍液黏度增加，導(dǎo)致流量下降，額定流量100 LPM時(shí)，實(shí)際流量25 LPM左右，額定流量200 LPM時(shí)，實(shí)際流量75 LPM左右，未能達(dá)到設(shè)定值。為此，在原有水泵后串聯(lián)一個(gè)新水泵，增加供給流量，滿足測(cè)試要求。測(cè)試中，監(jiān)測(cè)被測(cè)燃料電池堆進(jìn)口溫度作為冷卻液沖刷溫度，溫度響應(yīng)見圖5(b)。冷卻液沖刷電堆溫度在高溫段（80~90℃）和低溫段（-30~-27℃）循環(huán)切換，基本滿足測(cè)試要求，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)大流量時(shí)在低溫段沖刷溫度可以達(dá)到的溫度更低。在測(cè)試平臺(tái)冷熱切換中，電堆和連接管路中冷卻液會(huì)進(jìn)入不同的儲(chǔ)水箱（即高溫的冷卻液涌入冷水箱，低溫的冷卻液涌入熱水箱），導(dǎo)致儲(chǔ)水箱的溫度波動(dòng)。因此有必要監(jiān)測(cè)儲(chǔ)水箱溫度是否滿足要求。平臺(tái)冷水箱和熱水箱溫度的變化見圖5(c)，雖然有不同冷卻液的涌入，但熱水箱內(nèi)加熱器能將冷卻液溫度在一個(gè)周期內(nèi)加熱至95℃，冷水箱通過環(huán)境倉和換熱器將冷卻液快速降低至設(shè)定值-35℃，滿足下次切換時(shí)溫度需求。沖刷電堆腔體的壓力是通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)水箱內(nèi)填充氮?dú)鈮毫φ{(diào)控，電堆出口冷卻液的壓力變化見圖5(d)，雖然冷熱切換會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)，但切換之后冷卻液壓力可以快速恢復(fù)到60 kPa（表壓），說明測(cè)試平臺(tái)具有很好的壓力穩(wěn)定控制能力。綜上，我們開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)滿足電堆石墨雙極板測(cè)試需求。

圖5 測(cè)試平臺(tái)參數(shù)響應(yīng)

4 小結(jié)

針對(duì)石墨雙極板長(zhǎng)期浸泡冷卻液導(dǎo)致石墨內(nèi)填充的樹脂可能溶解析出、雙極板產(chǎn)生微裂紋等，引發(fā)雙極板泄漏失效的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了燃料電池堆冷熱沖刷測(cè)試平臺(tái)，通過周期性改變沖刷電堆的冷卻液流量和冷卻液溫度，加速雙極板的失效，研究石墨雙極板的失效原因及其耐久性。為滿足沖刷溫度快速切換，采用儲(chǔ)水箱儲(chǔ)存不同溫度的冷卻液，冷水箱中的低溫冷卻液通過將其放置在低溫環(huán)境倉實(shí)現(xiàn)，最后控制閥門切換冷卻液的冷熱供給。通過測(cè)試驗(yàn)證，說明了開發(fā)平臺(tái)的有效性。此外，本文中測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)工作對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)專用測(cè)試平臺(tái)用于研究燃料電池其他重要零部件（如：膜電極、質(zhì)子交換膜）失效和壽命具有指導(dǎo)意義和重要參考價(jià)值。