李 兵 鄧 林

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)與機(jī)電工程學(xué)院 安徽六安 237158)

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel Cell，PEMFC)是氫氣和氧氣通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接輸出電能的能源裝置，并且水是電化學(xué)反應(yīng)的唯一反應(yīng)產(chǎn)物[1]。與內(nèi)燃機(jī)相比，PEMFC除了具備清潔無(wú)污染的突出優(yōu)點(diǎn)外，還具備熱效率高、高功率密度、低溫啟動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是最佳的可再生能源之一，有望成為汽車(chē)等裝置動(dòng)力源的替代品.PEMFC主要是由電解質(zhì)、電極和極板組組成，其中極板組內(nèi)部設(shè)置有流場(chǎng).在PEMFC的運(yùn)行過(guò)程中，氣體反應(yīng)物分布在流場(chǎng)中，然后輸送到催化劑所在的催化層[2]。流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)氣體分布均勻性、歐姆損失、濃度損失、水熱管理等產(chǎn)生影響，為了提升電池性能和壽命，可以通過(guò)優(yōu)化傳質(zhì)和水熱管理的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。結(jié)構(gòu)合理的流場(chǎng)可以使氣體分布更加均勻，提高催化劑層活性面積，也可以將水及時(shí)排除電堆，避免“水淹”現(xiàn)象的產(chǎn)生，有利于質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)，提升電池輸出電流和功率。

PEMFC的流場(chǎng)主要有常規(guī)流場(chǎng)和三維流場(chǎng)，蛇形流場(chǎng)是一種使用較為廣泛的常規(guī)流場(chǎng)，金屬泡沫流場(chǎng)新型的三維流場(chǎng)[4]。金屬泡沫的特有通孔結(jié)構(gòu)，一直是PEMFC改善水熱管理、氣體均勻運(yùn)輸和提高電化學(xué)反應(yīng)的氣體分配器。與常規(guī)流場(chǎng)相比具備細(xì)微通孔結(jié)構(gòu)的金屬泡沫流場(chǎng)在孔隙率、氣體分布、水熱管理和質(zhì)子傳導(dǎo)等方面占據(jù)優(yōu)勢(shì).Afshari[5]等在金屬泡沫作為分配器的燃料電池性能研究中，發(fā)現(xiàn)使用金屬泡沫增加了陰極催化劑表面的氧濃度和電流密度，并提高了其分布的均勻性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更均勻的溫度分布。Ahrae[6]等對(duì)金屬泡沫的多孔性能和潤(rùn)濕性進(jìn)行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)在低加濕條件下，使用滲透性好的金屬泡沫有利于實(shí)現(xiàn)更均勻的電流密度分布和更好的水熱管理效果。孫允[7]在金屬泡沫流場(chǎng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)較為合適金屬泡沫通孔結(jié)構(gòu)可以使膜電極溫度更加均勻且促進(jìn)了傳質(zhì)效果，較平行流場(chǎng)最大功率密度可以提升15.6%。

圖1為常規(guī)蛇形流場(chǎng)(a)和金屬泡沫流場(chǎng)(b)。文章根據(jù)上述文獻(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比了蛇形流場(chǎng)和450μm、580μm、800μm、1200μm四種不同孔徑金屬泡沫流場(chǎng)的電流密度和功率密度曲線，發(fā)現(xiàn)在一定條件下合適孔徑金屬泡沫流場(chǎng)能較大程度提升電池性能；加濕溫度50℃和電池工作溫度30℃時(shí)，孔徑為580μm電池性能表現(xiàn)最優(yōu)，最大電流密度最大可以達(dá)到347.89mA/cm2，較蛇形流場(chǎng)提升25.1%，最大功率密度可以達(dá)到100.45mV/cm2，較蛇形流場(chǎng)提升21.2%。

圖1 常規(guī)蛇形流場(chǎng)(a)和金屬泡沫流場(chǎng)(b)[8]

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

PEMFC單體測(cè)試臺(tái)架FX201-20；可編程直流電子負(fù)載FT6302A；氣體流量計(jì)MCV-2SLPM-D/5M。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

陽(yáng)極(氫氣)氣體壓力0.5Mpa，氣體流量0.04L/min，陰極(空氣)氣體壓力0.4Mpa，氣體流量0.1L/min，氮?dú)鈮毫?.5Mpa ，氣體流量0.042L/min，燃料電池廢氣壓力為大氣壓[9]。圖2為PEMFC性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖。

圖2 PEMFC性能測(cè)試示意圖

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

使用熱壓機(jī)制備MEA：制備熱壓溫度為125℃、熱壓壓力為0.15Mpa、熱壓時(shí)間為3min.

(1)選擇蛇形流場(chǎng)組裝電池單體，組裝扭矩為1.0Nm，使用氮?dú)馀趴蘸统龎m后對(duì)電池進(jìn)行活化，以提升和穩(wěn)定MEA性能；

(2)通過(guò)控溫加濕瓶對(duì)空氣加濕至溫度為30℃，使用加熱銅棒將電池內(nèi)部溫度加熱至30℃、40℃、50℃，通過(guò)可編程直流電子負(fù)載FT6302A每間隔0.5min記錄電池電壓和電流參數(shù)；

(3)用四種不同孔徑金屬泡沫流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，按照上述實(shí)驗(yàn)步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 蛇形流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用單蛇形石墨流場(chǎng)作為電池陰陽(yáng)兩極的氣體分配器，對(duì)制備熱壓溫度為125℃、熱壓壓力為0.15Mpa、熱壓時(shí)間為3min的MEA在不同空氣加濕溫度和電池工作溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)每删幊讨绷麟娮迂?fù)載FT6302A記錄在空氣加濕溫度為30℃、40℃、50℃時(shí)，電池工作溫度為30℃、40℃、50℃電壓和電流參數(shù)，獲得了功率密度曲線和伏安特性曲線。蛇形石墨流場(chǎng)的功率密度曲線和伏安特性曲線見(jiàn)圖3。

a 加濕溫度30℃

由圖3可知，在相比同一加濕溫度下，當(dāng)溫度為40℃時(shí)能獲得電池的最大電流密度和最大功率密度，最大電流密度最大可以達(dá)到278mA/cm2，最大功率密度可以達(dá)到82.9mV/cm2。電流密度隨著加濕溫度的增加，呈先上升后下降的趨勢(shì)，加濕溫度40℃時(shí)最高；功率密度隨著加濕溫度的增加呈上升趨勢(shì)，不同加濕溫度最大功率密度相差無(wú)幾。原因是當(dāng)電池加濕溫度增加，PEM的含水量逐漸增加，加濕溫度30℃時(shí)濕潤(rùn)度不足，加濕溫度50℃時(shí)含水量略多；加濕溫度高于電池溫度時(shí)，法拉第阻抗會(huì)隨電池溫度上升而降低，電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的水分含量減少，降低了傳質(zhì)阻力，電化學(xué)反應(yīng)阻抗減小[10]。

2.2 金屬泡沫流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 450μm金屬泡沫流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用450μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽(yáng)兩極的氣體分配器，對(duì)制備熱壓溫度為125℃、熱壓壓力為0.15Mpa、熱壓時(shí)間為3min的MEA在不同空氣加濕溫度和電池工作溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)每删幊讨绷麟娮迂?fù)載FT6302A記錄在空氣加濕溫度為30℃、40℃、50℃時(shí)，電池工作溫度為30℃、40℃、50℃電壓和電流參數(shù)，獲得了功率密度曲線和伏安特性曲線。圖4為450μm金屬泡沫流場(chǎng)在不同溫度與濕度下的功率密度曲線和伏安特性曲線。

a 加濕溫度30℃

由圖4可知，孔徑為450μm流場(chǎng)電池性能明顯低于蛇形石墨流場(chǎng)，主要原因是通孔孔徑較小導(dǎo)致氣體傳輸受到阻礙，導(dǎo)致反應(yīng)氣體無(wú)法到達(dá)催化層，降低電化學(xué)反應(yīng)速率。在任一加濕溫度下，電池最大功率密度會(huì)隨著電池工作溫度的增加呈下降趨勢(shì)，加濕溫度為30℃時(shí)最大功率密度和最大電流密度均達(dá)到最大值，電池性能達(dá)到最優(yōu)。450μm金屬泡沫流場(chǎng)的電池性能對(duì)電池工作溫度較為敏感，最大電流密度隨著加濕溫度增加逐漸提高，主要的原因是金屬泡沫流場(chǎng)孔徑過(guò)小，氣體傳輸受到阻礙，反應(yīng)氣體和氣態(tài)水分無(wú)法到達(dá)催化層，同時(shí)反應(yīng)物液態(tài)水卻無(wú)法及時(shí)排出，可能造成“水淹”現(xiàn)象，傳質(zhì)阻力加大，進(jìn)一步降低了電化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致電池性能下降[11-12]。

2.2.2 580μm金屬泡沫流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用580μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽(yáng)兩極的氣體分配器，對(duì)制備熱壓溫度為125℃、熱壓壓力為0.15Mpa、熱壓時(shí)間為3min的MEA在不同空氣加濕溫度和電池工作溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)每删幊讨绷麟娮迂?fù)載FT6302A記錄在空氣加濕溫度為30℃、40℃、50℃時(shí)，電池工作溫度為30℃、40℃、50℃電壓和電流參數(shù)，獲得了伏安特性曲線和功率密度曲線。表1為580μm金屬泡沫流場(chǎng)在不同溫度與濕度下的電流密度和功率密度。圖5為580μm金屬泡沫流場(chǎng)在不同溫度與濕度下的功率密度曲線和伏安特性曲線。

表1 580μm金屬泡沫流場(chǎng)最大電流密度和最大功率密度

a 加濕溫度30℃

由表1和圖5可知，孔徑為580μm的電池性能明顯優(yōu)于蛇形石墨流場(chǎng)，主要原因是通孔有利于氣體傳輸，導(dǎo)致反應(yīng)氣體和氣態(tài)水順利到達(dá)催化層，提升了電化學(xué)反應(yīng)速率。580μm金屬泡沫流場(chǎng)最大功率密度和最大電流密度隨著加濕溫度的增加呈上升趨勢(shì)，加濕溫度50℃和電池工作溫度30℃時(shí)，電池性能達(dá)到最優(yōu)，最大電流密度最大可以達(dá)到347.89mA/cm2，較蛇形流場(chǎng)提升25.1%，最大功率密度可以達(dá)到100.45mV/cm2，較蛇形流場(chǎng)提升21.2%。與450μm金屬泡沫流場(chǎng)類似，在任一加濕溫度下，電池最大功率密度和最大電流密度會(huì)隨著電池工作溫度的增加略呈下降趨勢(shì)，但580μm金屬泡沫流場(chǎng)的電池性能對(duì)加濕溫度溫度較為敏感，主要的原因是金屬泡沫流場(chǎng)孔徑較為合理，氣體傳輸更加均勻，反應(yīng)氣體和氣態(tài)水分順利到達(dá)催化層，當(dāng)加濕溫度溫度增加時(shí)，PEM處于較為濕潤(rùn)狀態(tài)，歐姆電阻和傳質(zhì)阻力均會(huì)降低，進(jìn)一步提升了電化學(xué)反應(yīng)速率，有利于電池性能提升[13]。

2.2.3 800μm金屬泡沫流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用800μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽(yáng)兩極的氣體分配器，對(duì)制備熱壓溫度為125℃、熱壓壓力為0.15Mpa、熱壓時(shí)間為3min的MEA在不同空氣加濕溫度和電池工作溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)每删幊讨绷麟娮迂?fù)載FT6302A記錄在空氣加濕溫度為30℃、40℃、50℃時(shí)，電池工作溫度為30℃、40℃、50℃電壓和電流參數(shù)，獲得了伏安特性曲線和功率密度曲線。圖6為800μm金屬泡沫流場(chǎng)在不同溫度與濕度下的功率密度曲線和伏安特性曲線。

a 加濕溫度30℃

由圖可知，孔徑為800μm的電池性能低于蛇形石墨流場(chǎng)，主要原因是通孔孔徑較大不利于氣體均勻傳輸，傳質(zhì)效果減弱，降低了電化學(xué)反應(yīng)速率。800μm金屬泡沫流場(chǎng)最大功率密度和最大電流密度隨著工作溫度的增加呈下降趨勢(shì)，加濕溫度與電池工作溫度均30℃時(shí)，電池性能達(dá)到最優(yōu)。與450μm金屬泡沫流場(chǎng)類似，在任一加濕溫度下，電池最大功率密度和最大電流密度會(huì)隨著電池工作溫度的增加呈下降趨勢(shì)，800μm金屬泡沫流場(chǎng)的電池性能對(duì)工作溫度較為敏感，主要的原因是金屬泡沫流場(chǎng)孔徑較大，氣體傳輸均勻性下降，電池歐姆阻抗和法拉第阻抗上升，不利于電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，當(dāng)工作溫度溫度增加時(shí)，PEM處于較為缺水狀態(tài)，進(jìn)一步降低了電化學(xué)反應(yīng)速率，導(dǎo)致電池性能下降[14]。

2.2.4 1200μm金屬泡沫流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用800μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽(yáng)兩極的氣體分配器，對(duì)制備熱壓溫度為125℃、熱壓壓力為0.15Mpa、熱壓時(shí)間為3min的MEA在不同空氣加濕溫度和電池工作溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)每删幊讨绷麟娮迂?fù)載FT6302A記錄在空氣加濕溫度為30℃、40℃、50℃時(shí)，電池工作溫度為30℃、40℃、50℃電壓和電流參數(shù)，獲得了伏安特性曲線和功率密度曲線。圖7為1200μm金屬泡沫流場(chǎng)在不同溫度與濕度下的功率密度曲線和伏安特性曲線。

a 加濕溫度30℃

由圖7可知，孔徑為1200μm的電池性能低于800μm金屬泡沫流場(chǎng)，主要原因是通孔孔徑進(jìn)一步加大更加不利于氣體均勻傳輸，傳質(zhì)效果繼續(xù)減弱，進(jìn)一步降低了電化學(xué)反應(yīng)速率。1200μm金屬泡沫流場(chǎng)電池性能表現(xiàn)與800μm金屬泡沫流場(chǎng)趨于一致，導(dǎo)致性能下降的原因也是類似的，在這里不在重復(fù)。

3 結(jié)論

(1)與蛇形流場(chǎng)相比，合適的細(xì)微通孔結(jié)構(gòu)金屬泡沫流場(chǎng)氣體均勻分布、水熱管理、歐姆電阻和傳質(zhì)阻力等方面優(yōu)于蛇形流場(chǎng)。

(2)對(duì)比四種不同孔徑金屬泡沫流場(chǎng)，580μm金屬泡沫流場(chǎng)性能較佳；在加濕溫度50℃和電池工作溫度30℃時(shí)，電池性能達(dá)到最優(yōu)，最大電流密度最大可以達(dá)到347.89mA/cm2，較蛇形流場(chǎng)提升25.1%，最大功率密度可以達(dá)到100.45mV/cm2，較蛇形流場(chǎng)提升21.2%。