燃料電池界面接觸電阻無損測量實(shí)驗(yàn)研究

傅云杰 姚羽佳 鄭潔霽 李 廷

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，浙江 嘉興 314036）

0 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC) ,屬于眾多燃料電池的一種，其極高的理論比能量(理論比能量高達(dá)32940 Wh/kg)，被認(rèn)為是未來交通工具、 分布式電站及各類電子產(chǎn)品等最主要的供能電源之一[1]。 雙極板，是PEM 電池重要的部件， 雙極板與氣體擴(kuò)散層界面接觸電阻對PEMFC 電池的電學(xué)性能影響很大，是PEMFC 的內(nèi)阻主要來源，占總體電阻總內(nèi)阻的55%左右[2]。雙極板與擴(kuò)散層的界面電阻一直是研究熱點(diǎn)，許多學(xué)者制作出測量雙極板與碳紙接觸測量儀器， 主要分為兩類：在線測量與離線測量。 Makkus、Miachon、Ihonen 等采用通過測量電池工作狀態(tài)下雙極板和質(zhì)子交換膜之間的電壓差來獲得二者間接觸電阻[3-5],在線測量可以反映真實(shí)工況下的界面電阻， 但是測量相對煩瑣，難以對雙極板涂層工藝進(jìn)行管控。 離線測量主要參照GB/T 20042.6—2011 《質(zhì)子交換膜燃料電池第6 部分雙極板特性測試方法》中給出的差值法，研究者參考國標(biāo)的基礎(chǔ)上有如下研究：李果等模擬單個質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)，采用在不同螺栓壓緊力下，雙極板

※基金項(xiàng)目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃（2020R440009）；嘉興市科技局項(xiàng)目：質(zhì)子交換膜燃料電池接觸電阻智能測量與實(shí)驗(yàn)研究（SQGY202100119）。

作者簡介：傅云杰（2000—），男，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。

通信作者:李廷，（1985—），男，碩士，講師，研究方向：雙極板加工與檢測技術(shù)。與氣體擴(kuò)散層之間的界面接觸電阻[6]；朱應(yīng)力等自行研制的壓力—位移測試平臺，采用手工加壓的方式施加負(fù)載，測量各種負(fù)載下雙極板與擴(kuò)散層界面電阻[7]；王山領(lǐng)等設(shè)計利用粉末壓片機(jī)施加負(fù)載，采用活塞固定碳紙與雙極板、電極等裝置測量界面接觸電阻[8]。國標(biāo)中對于雙極板樣品制作有明確要求，是屬于一種破壞性檢測，特別是對于成品雙極板(已表面涂層)，無法做到無損檢測。 難以測量成品已焊接、涂層的金屬雙極板模擬真實(shí)工況下與碳紙之間的接觸電阻，切割標(biāo)準(zhǔn)極板需重新焊接成標(biāo)準(zhǔn)試樣才可以測量。這種方法煩瑣且測量精度不高。

本文，在GB/T 20042.6—2011 的測試原理的基礎(chǔ)上提出一種無須切割標(biāo)準(zhǔn)雙極板試樣的接觸電阻測量方法，可以廣泛應(yīng)用到雙極板預(yù)處理、涂層質(zhì)量管控的生產(chǎn)實(shí)際過程中。

1 測量原理

1.1 接觸電阻組成

質(zhì)子交換膜燃料電池的內(nèi)阻包括電池內(nèi)部各層材料的本體電阻，如雙極板（Bipolar Plate，BP）、質(zhì)子交換膜 （Proton Exchange Membrane，PEM）、 催化層（Catalyst Layer，CL）、 擴(kuò)散層 （Gas Diffusion LAYER,CP）， 也包括不同材料之間的界面接觸電阻， 如雙極板/氣體擴(kuò)散層（RBP-CP）、氣體擴(kuò)散層/催化層(RCP-CL)、催化層/膜的接觸電阻（RCL-PEM）等[9]。 現(xiàn)代PEM 燃料電池各材料的本體電阻趨于非常低的水準(zhǔn)，與接觸電阻相比，可以忽略不計。 質(zhì)子交換膜燃料電池通常以面積為基礎(chǔ)， 使用面積標(biāo)準(zhǔn)化的電阻也稱為面電阻ASR,這樣就可以使用ASR 對比不同燃料電池之間雙極板與碳紙間接觸電阻的大小。

1.2 測試機(jī)理

測試主要參照GB/T 20042.6—2011《質(zhì)子交換膜燃料電池第6 部分雙極板特性測試方法》中給出的差值法，國標(biāo)推薦的方法適用于雙極板材料與碳紙之間的接觸電阻，需要將雙極板材料與碳紙全部制作成與電極形狀的一樣才可以測量。如果要測量燃料電池雙極板與碳紙之間的接觸電阻，需要對國標(biāo)推薦的裝置進(jìn)行改進(jìn)，具體示意圖如圖1 所示，采用導(dǎo)電銀漿將電極與碳紙黏合在一起（導(dǎo)電銀漿可用解膠劑溶解，可無損更換碳紙），形成帶碳紙的電極，利用伏安法測量電極兩端的電阻。 R1為中間不放置任何東西，兩個電極之間的電阻。 R2為中間放入碳紙，兩個電極之間的電阻。 R3為中間放入雙極板，兩個電極之間的電阻。

圖1 燃料電池界面電阻測量示意圖

如果不考慮碳紙、雙極板本身的電阻（其相對接觸電阻來說數(shù)值過小）,其各自電阻為：

式中，R電極為帶碳紙的電極本阻，R碳紙-碳紙為碳紙間的接觸電阻，R雙極板-碳紙雙極板與碳紙的接觸電阻。綜合公式（1）式（2）式（3）

雙極板與碳紙之間的面電阻

式中，A 為電極面積。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及樣品制作

采用自制的燃料電池雙極板專用接觸電阻測量儀器，見圖2。 設(shè)備包含液壓模塊、測量模塊、電極區(qū)域，各模塊明細(xì)見表1。

表1 接觸電阻測量儀設(shè)備清單

采用手動加壓的方式加載壓力，根據(jù)數(shù)顯設(shè)備確定所加壓力大小。高精度的電流表與電壓表保證伏安法測試電阻的準(zhǔn)確性， 測量精度可以達(dá)到0.005 mΩ。 電極接觸碳紙區(qū)域?yàn)?cm×5cm 為佳，采用正方形，主要是考慮正方形的碳紙容易制作，可以用切紙機(jī)裁制。 使用SINWE3703 進(jìn)口導(dǎo)電銀漿均勻涂抹鍍金電極測量區(qū)域（涂抹厚度為10～20 絲），然后使用液壓設(shè)備加壓，對電極實(shí)行相互擠壓，用棉絮擦去多余銀漿。 使用鑷子使碳紙與電極相互對齊， 輕輕壓住，然后把另一張?zhí)技埛胖迷谝佯そY(jié)好碳紙上方，手工加壓使碳紙與上方電極黏附， 待6 小時后銀漿干燥凝固，碳紙與電極實(shí)現(xiàn)完全固定。準(zhǔn)備待測金屬雙極板與石墨陰極板板若干，需保證表面無油污、無粉塵污染。

圖2 燃料電池雙極板專用電阻測量設(shè)備

2.2 試驗(yàn)方法

為了得到燃料電池界面接觸面電阻與壓力之間的關(guān)系， 需要記錄從0～1.5 MPa 壓力范圍內(nèi)每隔0.1 MPa 取對應(yīng)的壓力下其電極兩端電壓與電流的大小， 計算其相應(yīng)的雙極板與碳紙之間的接觸電阻面電阻。

因?yàn)榻缑婷娣e為25 cm2， 手動加壓每25kgf 記錄電極兩端對應(yīng)的電壓、 電流值， 每組數(shù)值需記錄3 次，取其平均值。 按照測試機(jī)理，記錄三種狀態(tài)下的電壓與電流值，才能計算電阻值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 壓力對于雙極板與碳紙界面接觸電阻的影響

嚴(yán)格按照試驗(yàn)流程，測試金屬雙極板、石墨雙極板分別見圖3、圖8。

圖3 涂層金屬雙極板不同壓力下的接觸電阻率

圖4 石墨雙極板（PP 含量30%）不同壓力下的接觸電阻率

可以發(fā)現(xiàn)雙極板在負(fù)載壓力0～1.0 MPa， 隨著壓力的上升，接觸電阻呈快速下降，因?yàn)閯傞_始的時候雙極板表面與碳紙接觸不好，隨著加壓，雙極板與碳紙都會輕微變形，接觸情況會得到改善。 壓力達(dá)到1.MPa 以上，雙極板與碳紙實(shí)際接觸情況良好，不會隨壓力的上升，大幅度降低接觸電阻。

接觸電阻在低壓力情況下，與負(fù)載壓力有比例關(guān)系，壓力上升一倍，接觸電阻基本下降一半；在高壓力下，接觸電阻隨壓力變化不再敏感。 所以從電池性能上來說，組裝壓力不宜小于1 MPa。

3.2 雙極板界面實(shí)際接觸面積對界面接觸電阻的影響

雙極板表面流道的存在，界面實(shí)際面積小于電極面積。 大部分雙極板實(shí)際接觸面積只有測量區(qū)域的30%～40%左右， 雙極板實(shí)際接觸區(qū)域壓力也倍增，為探索極板的由于流道區(qū)域形狀不同對于雙極板接觸電阻的影響，測量同一涂層工藝下的金屬雙極板與金屬不銹鋼板材對同一種碳紙的接觸電阻的影響，測試結(jié)果見圖5。

圖5 相同涂層工藝下不銹鋼材料與金屬雙極板的接觸電阻

隨著壓力從0 上升1.47 MPa 過程中， 金屬雙極板（接觸面積實(shí)為30%）接觸電阻從52.375 mΩ·cm2下降到5.938 mΩ·cm2。 不銹鋼板材（接觸面積100%）從24 mΩ·cm2下降到2.9 mΩ·cm2。 不銹鋼材料與碳紙之間的接觸電阻在0.4 MPa 時，接觸電阻即變化較平緩，表明不銹鋼材料在較低壓力下即可與碳紙之間的接觸良好。金屬雙極板雖然接觸面積只有不銹鋼板材的30%，但是在其實(shí)際接觸區(qū)域壓力是不銹鋼板材的3.3 倍，金屬雙極板在0.4 MPa 壓力下，不銹鋼材料接觸電阻大體是金屬雙極板的1/2。 當(dāng)接觸壓力從0.4～1.0 MPa 增加， 由于不銹鋼板材接觸電阻已經(jīng)基本達(dá)到極限， 同時金屬雙極板接觸電阻下降較快，不銹鋼板材的接觸電阻從金屬雙極板1/2 增加到2/3。當(dāng)壓力大于1.0 MPa， 兩者接觸電阻都快達(dá)到各自的極限，不銹鋼材料接觸電阻從金屬雙極板的2/3 要逐漸下降到原來的1/3。 綜合分析，接觸面積比例越高，接觸電阻越容易達(dá)到極限；接觸面積與接觸電阻在低壓力的情況下， 接觸面積大的金屬雙極板接觸電阻越小， 而不能把接觸面積大的金屬雙極板看作兩個接觸面積小的雙極板并聯(lián)而成， 接觸面積越大的金屬雙極板接觸情況更好。 雙極板與碳紙的工作壓力在1.～1.5 MPa 下，金屬雙極板與不銹鋼材料都可以達(dá)到DOE 標(biāo)準(zhǔn)，證明金屬板接觸面積從30%～100%，都可以滿足使用效果，但是高壓力下接觸電阻還是與接觸電阻成反比，接觸面積越大，接觸面積越小。

4 結(jié)論

本文在GB/T 20042.6—2011 的測試原理的基礎(chǔ)上提出一種無須切割標(biāo)準(zhǔn)雙極板試樣的接觸電阻測量方法。 根據(jù)本文所提測試方法以及測量結(jié)果，有以下結(jié)論：

（1）利用阻值超低的導(dǎo)電銀漿將碳紙固定在電極上，利用差值法去除系統(tǒng)間的誤差，放入成品雙極板即可測量極板間與碳紙之間的界面接觸電阻。

（2）針對壓力與接觸電阻的影響，在小于1 MPa的情況下，接觸電阻下降明顯，所以不建議組裝載荷小于1MPa。

（3）高壓力下雙極板與碳紙接觸電阻起決定作用的是接觸面積，而不是組裝載荷。

（4）接觸電阻在工藝確定的情況下只與組裝載荷有關(guān)，接觸電阻的測量結(jié)果可以給石墨雙極板膠合壓力選擇與電堆的組裝載荷提供數(shù)據(jù)參考。