不銹鋼纖維氈流場PEMFC的性能實驗研究

盧廣軒，葛 鵬，高建平，張 歡

(西部金屬材料股份有限公司，陜西西安 710201)

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)的商業(yè)化目前仍然受其性能、成本和壽命的制約，提高PEMFC 的功率密度是解決這些問題的關(guān)鍵[1]。除了改進膜電極和優(yōu)化運行條件外，還可以通過優(yōu)化雙極板的流場結(jié)構(gòu)，提升其傳質(zhì)效果，以改善反應(yīng)氣體在電池內(nèi)部分布的均勻性，從而進一步提高PEMFC 的功率密度[2]。

傳統(tǒng)的雙極板流場有平行直流場、蛇形流場和交指形流場等，其中多蛇形流場是目前車用燃料電池應(yīng)用最多的流場[3]。然而傳統(tǒng)流場加工成本高，且流場中的溝脊結(jié)構(gòu)不利于反應(yīng)氣體的均勻分布，流場內(nèi)傳質(zhì)、傳熱與導(dǎo)電也未形成良好的匹配。因此，有必要開發(fā)新的流場結(jié)構(gòu)來解決此類問題。

金屬泡沫、金屬纖維氈等多孔材料具有獨特的三維立體結(jié)構(gòu)，作為PEMFC 的流場可以提高反應(yīng)氣體和液態(tài)水分布的均勻性，改善傳質(zhì)效果，被視為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ牧鲌鲂问剑陙硎艿皆絹碓蕉嗟年P(guān)注[3-4]。Park 等[5]研究了泡沫銅流場的孔徑、孔隙率、厚度對燃料電池性能的影響，優(yōu)化后的泡沫銅流場PEMFC 在電壓0.6 V 時的電流密度達到了2.0 A/cm2，比傳統(tǒng)流場高很多。Xie 等[6]將泡沫流場PEMFC 與平行直流場PEMFC 進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)相同條件下前者的性能比后者高3 倍。Awin 等[7]將泡沫鋁流場與石墨蛇形流場進行了對比，發(fā)現(xiàn)泡沫鋁流場PEMFC 的輸出電壓、電流和功率密度都得到了改善，膜電極的溫度和壓力分布也更均勻。Tang 等[8]從銅纖維燒結(jié)氈制備、形貌表征、疏水性測試、耐蝕性測試、電阻測試和極化曲線測試等方面對銅纖維氈流場PEMFC 進行了系統(tǒng)的研究，認為銅纖維氈作為燃料電池流場具有很大的應(yīng)用潛力。此外，還有學(xué)者使用數(shù)值模擬方法研究了多孔流場中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象[9-10]。以上研究工作都表明金屬泡沫、金屬纖維氈等金屬多孔材料的優(yōu)勢是顯著的。但是，目前此類流場的開發(fā)還處于初步探索階段，相關(guān)研究工作比較少，而且主要集中于金屬泡沫流場，對于金屬纖維氈流場的研究寥寥無幾。

本文的主要工作是研究不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能。首先制備了以不銹鋼纖維氈為流場的PEMFC 單電池，為了進一步提高其性能，對纖維氈進行了鍍金處理，然后將蛇形流場、不銹鋼纖維氈流場、鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能進行了對比，驗證不銹鋼纖維氈作為PEMFC 極板材料的可行性。最后又研究了工作溫度、工作壓力、反應(yīng)氣體相對濕度對鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 性能的影響。

1 實驗

1.1 不銹鋼纖維氈流場PEMFC

不銹鋼纖維氈流場PEMFC 由膜電極(包括質(zhì)子交換膜和催化層)、氣體擴散層、不銹鋼纖維氈、石墨極板等組成。本實驗所使用的不銹鋼纖維氈厚度為0.5 mm，纖維氈的平均孔徑86 μm，孔隙率86%。膜電極中的質(zhì)子交換膜為GORESELECT(美國Gore 公司產(chǎn)品)，催化劑為JM 60%(質(zhì)量分數(shù))鉑碳催化劑(英國Johnson Matthey 產(chǎn)品)，陰、陽極鉑載量分別為0.48 和0.24 mg/cm2，氣體擴散層為碳紙TGP-H-060(日本東麗公司產(chǎn)品)。石墨極板帶有50 mm×50 mm×0.5 mm 的凹槽，不銹鋼纖維氈置于凹槽中作為燃料電池的流場，如圖1(a)所示。此外，本文還測試了蛇形流場PEMFC 的性能作為對比，蛇形流場的石墨極板如圖1(b)所示。

圖1 不銹鋼纖維氈和蛇形流場石墨極板

1.2 實驗方法

實驗采用寧波拜特新能源技術(shù)有限公司開發(fā)的燃料電池測試系統(tǒng)測量PEMFC 的極化曲線和功率密度曲線。測試前首先檢查電池本體和測試裝置是否漏氣。每次測試前先使用氮氣對氣體路徑進行吹掃，吹掃氣體的流量為0.5 L/min，吹掃時間10 min。首先對蛇形流場、不銹鋼纖維氈流場、鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 進行了性能測試。測試條件為電池工作溫度343.15 K，陰、陽極反應(yīng)氣體相對濕度均為100%，工作壓力100 kPa，陰、陽極化學(xué)計量比均為2。然后，保持其他條件不變，分別改變電池工作溫度、工作壓力、反應(yīng)氣體相對濕度，測試蛇形流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 在不同工作條件下的性能。

使用循環(huán)伏安法分別測定了蛇形流場、不銹鋼纖維氈流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 膜電極的電化學(xué)活性面積，以確保三者膜電極性能相同。測試時使用CHI660E 電化學(xué)工作站，PEMFC 陽極通入完全濕潤的氫氣，流量為0.5 L/min，陰極通入完全濕潤的氮氣，流量為1.0 L/min。電位掃描范圍為0.01～1.2 V，掃描速率為10 mV/s。

采用寧波瑞品儀器有限公司生產(chǎn)的接觸電阻儀測量了不銹鋼纖維氈鍍金前后與碳紙間的接觸電阻，壓力范圍為50～300 N/cm2。

2 結(jié)果和討論

2.1 不同流場PEMFC 性能對比

圖2為蛇形流場、不銹鋼纖維氈流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能曲線，其中圖(a)為電流密度-電壓曲線，圖(b)為電流密度-功率密度曲線。從圖2 可以看出，即使是未作表面處理的不銹鋼纖維氈，其性能也要優(yōu)于傳統(tǒng)的蛇形流場，而鍍金后不銹鋼纖維氈流場的性能得到明顯提高。鍍金前后，PEMFC 在輸出電壓0.6 V 時的電流密度由0.8 A/cm2提高到2.0 A/cm2，提高了150%，最大功率密度由0.6 W/cm2提高到1.2 W/cm2，提高了100%。圖3為蛇形流場、不銹鋼纖維氈流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 膜電極的循環(huán)伏安曲線。從圖中可以看出，三者的電化學(xué)活性面積基本一致。因此，三種PEMFC 輸出性能的不同是流場導(dǎo)致的。圖4 為不銹鋼纖維氈鍍金前后與氣體擴散層的接觸電阻隨壓力的變化曲線。可以看到，鍍金后不銹鋼纖維氈的接觸電阻顯著降低。通常PEMFC 電堆的裝配壓力約為150 N/cm2，在此壓力下，鍍金不銹鋼纖維氈的接觸電阻由153.5 mΩ·cm2降低到1.4 mΩ·cm2。以上實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)流場，不銹鋼纖維氈作為PEMFC 流場具有顯著優(yōu)勢。但是，與傳統(tǒng)流場金屬雙極板一樣，在PEMFC 工作環(huán)境下不銹鋼纖維氈也面臨腐蝕問題，而且其自身比表面積比較大，更容易生成不均勻的鈍化膜，增加了內(nèi)部電阻以及與氣體擴散層、石墨極板間的接觸電阻，使PEMFC 的歐姆損失增大。生成的鈍化膜甚至有可能堵塞孔隙，影響反應(yīng)氣體傳質(zhì)和排水，增加了PEMFC 的濃差損失。因此，未作表面處理的不銹鋼纖維氈流場性能較差，而鍍金后不銹鋼纖維氈的導(dǎo)電性和耐蝕性都會提高，從而使PEMFC 的性能得到明顯改善。金屬纖維氈流場在將來要獲得實際應(yīng)用，低成本的表面處理方法是需要解決的關(guān)鍵問題。

圖2 不同流場的電池極化曲線和功率密度曲線

圖3 三種流場PEMFC膜電極的循環(huán)伏安曲線

圖4 不銹鋼纖維氈鍍金前后與氣體擴散層的接觸電阻隨壓力的變化曲線

2.2 工作溫度的影響

不同工作溫度下蛇形流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能如圖5 所示。從圖中可以看出，溫度對PEMFC 性能的影響較為顯著。在工作溫度低于343.15 K 時，鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的輸出性能隨溫度的增加而升高。溫度提高到353.15 K 時，燃料電池的輸出性能有所下降。蛇形流場PEMFC 的輸出性能隨溫度的變化與之類似。從熱力學(xué)的角度講，燃料電池的可逆電壓一般隨溫度的升高而降低。而從反應(yīng)動力學(xué)的角度講，隨著溫度升高，催化劑的活性提高，反應(yīng)氣體的擴散速度增大，電化學(xué)反應(yīng)的速率也隨之增大。此外，溫度升高也提高了膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，同時有利于避免水淹的發(fā)生。因此，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度的升高可以提高PEMFC 的輸出性能。但是溫度過高時，質(zhì)子交換膜的含水量會下降，造成質(zhì)子傳導(dǎo)率降低，膜的機械性能也變差，容易造成膜損傷，這些因素都對燃料電池輸出性能產(chǎn)生不利影響。燃料電池工作溫度的確定需要綜合考慮各部件的特性和其他工作條件。

圖5 工作溫度對電池性能的影響

2.3 工作壓力的影響

PEMFC 的工作壓力也是影響其性能的重要因素。不同工作壓力下蛇形流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能如圖6 所示。從圖中可以看出，PEMFC 輸出性能隨工作壓力的升高而增大。尤其是在高電流密度情況下，工作壓力的提高對PEMFC 性能的提升更為顯著。當工作壓力由60 kPa提高到160 kPa 時，鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 在電壓0.6 V 時的輸出電流密度由1.6 A/cm2提高到2.5 A/cm2，提高了56%，最大輸出功率密度由1.0 W/cm2提高到1.5 W/cm2，提高了50%。首先，工作壓力增大有利于熱力學(xué)可逆電壓的提高。而且，工作壓力直接決定了反應(yīng)氣體的濃度水平，從而影響了氣體的擴散速率和電化學(xué)反應(yīng)速率，有利于PEMFC性能的提高。但是，在燃料電池實際應(yīng)用中，工作壓力的升高也伴隨著空氣泵消耗功率的增加，不利于燃料電池實際輸出功率的提高。燃料電池的工作壓力要根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的具體情況來確定。

圖6 工作壓力對電池性能的影響

2.4 相對濕度的影響

PEMFC 中質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率與其含水量密切相關(guān)，而后者又受反應(yīng)氣體的相對濕度影響。不同進氣相對濕度條件下蛇形流場和鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的輸出性能如圖7 所示。從圖中可以看出，當反應(yīng)氣體相對濕度為85%時，蛇形流場PEMFC 的輸出性能最好，尤其是在高電流密度下。而進氣相對濕度為100%時，鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的輸出性能達到最高，當相對濕度不是100%時，燃料電池的性能會降低。但進氣相對濕度為55%、65%和85%時，PEMFC 的輸出性能基本一致。進氣相對濕度影響反應(yīng)氣體濃度，進氣濕度越低，反應(yīng)氣體濃度越高，反應(yīng)速率也越快。進氣相對濕度也會對陰、陽極的水平衡造成影響，導(dǎo)致膜中含水量和質(zhì)子傳導(dǎo)率的變化，同時也會影響電極的水淹程度。在這些因素的綜合影響下，本實驗中鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的反應(yīng)氣體最佳相對濕度為100%。

圖7 相對濕度對電池性能的影響

3 結(jié)論

本文通過實驗研究了不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能，驗證了不銹鋼纖維氈作為流場的可行性，得到如下結(jié)論：

(1)與傳統(tǒng)流場相比，不銹鋼纖維氈作為PEMFC 流場具有顯著優(yōu)勢。未經(jīng)表面處理的不銹鋼纖維氈流場，其性能已超過傳統(tǒng)蛇形流場，而不銹鋼纖維氈鍍金后，性能得到明顯提升，電壓0.6 V 時的輸出電流密度可以達到2.0 A/cm2。金屬纖維氈流場將來要得到實際應(yīng)用，低成本的表面處理方法是需要解決的關(guān)鍵問題。

(2)工作溫度和工作壓力對鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能影響較大。在溫度低于343.15 K 時，鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能隨溫度升高而增大。鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的性能也隨壓力的升高而增大。反應(yīng)氣體相對濕度為100%時，鍍金不銹鋼纖維氈流場PEMFC 的輸出性能最高，而相對濕度為55%、65%和85%時，其輸出性能基本一致。