丁剛強(qiáng)，唐和清，裴后昌，劉志春，劉 偉

（1.華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064）

質(zhì)子交換膜燃料電池由于不受卡諾循環(huán)限制，其能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)噪音、無(wú)腐蝕、壽命長(zhǎng)、可靠性及維修性好、工作電流大、比功率高、能量效率高、冷啟動(dòng)快、高效率、無(wú)污染、建設(shè)周期短、易維護(hù)以及低成本[1-2]，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

相對(duì)于常規(guī)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，風(fēng)冷燃料電池簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)，空氣供給系統(tǒng)。使得質(zhì)子交換膜燃料電池的便攜性能得到了極大的提高[3-4]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

如圖1和圖2所示流場(chǎng)板材料為石墨，活性面積20 cm2，陰極流道為直流道。

圖1 陽(yáng)極流場(chǎng)

圖2 陰極流場(chǎng)

GDL 采用 Torry 炭紙，厚度分別為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm，膜為Nafion211。

采用不同厚度GDL制作膜電極，制作單電池組裝成電堆。電堆由進(jìn)氣盒供氣。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試電堆結(jié)構(gòu)

1.2 電堆測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用加拿大Greenlight公司的燃料電池測(cè)試系統(tǒng)FCATS G50，電堆測(cè)試條件：環(huán)境溫度20℃，氫氣過(guò)量系數(shù)為1.2，無(wú)外加濕。電堆陰極氣體（冷卻氣體）由進(jìn)氣盒提供進(jìn)氣，風(fēng)量為500 L/min。電池穩(wěn)定運(yùn)行5 min后記錄數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 GDL厚度對(duì)電堆性能影響研究

采用不同厚度GDL制作膜電極，每片MEA進(jìn)行了編號(hào)，壓制8片單電池，組裝小電堆，每片MEA的GDL厚度如表1所示。

表1 單電池GDL厚度編號(hào)

測(cè)試條件：環(huán)境溫度20℃，氫氣過(guò)量系數(shù)為1.2，不外加濕。電堆陰極氣體（冷卻氣體）外進(jìn)氣，由進(jìn)氣盒提供進(jìn)氣，風(fēng)量為500 L/min。電池穩(wěn)定運(yùn)行5 min后記錄數(shù)據(jù)。

圖4為電池在 120、240、360、480 mA/cm2時(shí)的單片電壓。從圖中可以看出，在電堆風(fēng)量一定的情況下，電堆中第五片與第二片單電池在測(cè)試過(guò)程中的性能最佳，其GDL厚度均為0.6 mm。電堆中第八片性能最差，其對(duì)應(yīng)的GDL厚度為1.0 mm。在電流密度為120 mA/cm2時(shí)，電池最佳和最差性能相差0.07 V，在電流密度為480 mA/cm2時(shí)，電池最佳和最差性能相差0.13 V。

圖4 單片性能

為排除電池因?yàn)樗谖恢玫牟煌a(chǎn)生的性能差異，將電池重新組裝。將表1中單電池性能最差的單片和性能最好的單片互換位置，具體編號(hào)見(jiàn)表2。然后測(cè)試電池的性能。

表2 單電池GDL厚度編號(hào)

由圖5可得，電池中第一片和第八片電池的性能較其它單片性能要好，其GDL厚度為0.6 mm。電池性能最差的為第五片，其GDL厚度為1.0 mm。此種情況測(cè)得的電池性能與第一次組裝電池結(jié)果類似。即，GDL厚度為0.6 mm的單電池性能最佳，GDL厚度為1.0 mm時(shí)電池性能最差。在電流密度為120 mA/cm2時(shí)，電池最佳和最差性能相差0.07 V，在電流密度為480 mA/cm2時(shí)，電池最佳和最差性能相差0.14 V。

從圖4和圖5中還可以看出，GDL厚度對(duì)電池性能的影響在高電流密度下要高于低電流密度。其原因是：在高電流密度下，電池反應(yīng)氣體的濃度對(duì)電池的影響起了決定作用，即在480 mA/cm2時(shí)，GDL厚度為1.0 mm的單電池的性能最差。

從圖6可以看出，在風(fēng)冷電堆中，隨著GDL厚度的增加，單電池的性能逐漸升高，但是當(dāng)GDL的厚度增加至0.6 mm時(shí)電池的性能隨著炭紙厚度的增加而降低。GDL厚度對(duì)電池性能的性能影響在電流密度為480 mA/cm2時(shí)要高于低電流密度。

圖6 GDL厚度與電池性能之間的關(guān)系

當(dāng)GDL厚度不超過(guò)0.6 mm時(shí)，在各電流密度下，電池的性能隨著GDL厚度增加而增加。當(dāng)GDL厚度超過(guò)0.6 mm時(shí)，電池性能是隨GDL厚度的增加而降低的，此時(shí)，隨著電流密度的增加，GDL厚度越厚，電池的性能下降幅度越大。在圖中，1.0 mm GDL在480 mA/cm2時(shí)電池性能最差。

電池在運(yùn)行時(shí)，要使電池保持高的電池性能，必須保證質(zhì)子交換膜的充分潤(rùn)濕和提供足夠的反應(yīng)氣體。原則上，擴(kuò)散層的厚度越薄越有利于電池的水管理和傳質(zhì)。反之，當(dāng)電池中GDL的厚度較厚時(shí)，反應(yīng)氣體到達(dá)催化層參與電化學(xué)反應(yīng)的能力降低，但是此時(shí)電池的保水能力增加。綜合考慮，在風(fēng)冷電堆中，最優(yōu)厚度的GDL在一定范圍內(nèi)存在較優(yōu)值。此時(shí)它保證電池的潤(rùn)濕的同時(shí)使反應(yīng)氣體順利到達(dá)反應(yīng)區(qū)域。由圖6可知，在GDL沒(méi)有達(dá)到最佳厚度時(shí)，電池性能隨著GDL厚度的增加而增加，此時(shí)GDL的保水性能對(duì)電池的性能影響占主導(dǎo)地位。當(dāng)GDL厚度超過(guò)最佳厚度時(shí)，反應(yīng)氣體的濃度對(duì)電池的性能影響起主導(dǎo)地位。

2.2 GDL疏水度對(duì)電堆性能影響研究

為了便于水管理，GDL一般是用PTFE疏水處理改善其特性后再在燃料電池里面使用。若燃料電池在運(yùn)行的過(guò)程中MEA的局部發(fā)生水淹，此時(shí)由于擴(kuò)散層中的PTFE是憎水的，水能及時(shí)排除，同時(shí)增強(qiáng)氣體在GDL中的傳輸。因此合適的PTFE含量可以有效的去除GDL中的水，提高燃料電池電堆的性能。然而GDL中過(guò)高的PTFE含量會(huì)導(dǎo)致催化層中的水淹程度。

實(shí)驗(yàn)采用不同疏水程度GDL，炭紙厚度均為0.6 mm，制作MEA，每片MEA進(jìn)行編號(hào)，壓制10片單電池，組裝小電堆，每片MEA的規(guī)格如表3。

表3 不同疏水程度GDL單電池

測(cè)試條件：環(huán)境溫度20℃，氫氣過(guò)量系數(shù)為1.2，不外加濕。電堆陰極氣體（冷卻氣體）外進(jìn)氣，由進(jìn)氣盒提供進(jìn)氣，風(fēng)量為500 L/min。電池穩(wěn)定運(yùn)行5 min后記錄數(shù)據(jù)。

表3為各種疏水MEA的編號(hào)。為排除電池所在電堆位置不同而產(chǎn)生的性能差異，將不同疏水程度的MEA在電池中循環(huán)擺放。

圖7為測(cè)試風(fēng)冷電堆的性能曲線，我們從電堆的性能曲線圖中可得，電堆的最大功率密度為342 mW/cm2，在電流密度為600 mA/cm2時(shí)，電堆的總電壓為4.56 V，單片平均電壓為0.456 V。在測(cè)試時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行電池5 min后記錄所需數(shù)據(jù)，比較單電池的性能。

圖7 電堆性能曲線

圖8為測(cè)試電堆單片電壓，從圖中可以得出，第二片和第七片單電池在測(cè)試過(guò)程中的性能始終最佳。當(dāng)電流密度為600 mA/cm2時(shí)，第二片和第七片電壓分別為0.55 V和0.56 V，其GDL厚度為0.6 mm，GDL疏水程度為40%疏水。性能最差的兩片為第四號(hào)和第十號(hào)單電池，在電流密度為600 mA/cm2時(shí)，第四片和第十片電壓分別為0.44 V和0.46 V，其GDL疏水程度均為0%。即性能最好的MEA比性能最差的在電流密度為600 mA/cm2時(shí)的電壓高0.12 V。從圖中可以得出，在本實(shí)驗(yàn)中，相同材料的單電池的性能和其在電堆中所處位置關(guān)系不大。從圖8中還可以看出，當(dāng)測(cè)試所給風(fēng)量一定的情況下，GDL的疏水程度對(duì)電池性能的影響在高電流密度下要比低電流密度明顯。

圖8 電池單片電壓

由測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，在測(cè)試條件一定時(shí)，電池的性能隨GDL的疏水程度的變化而變化。

圖9為GDL的疏水程度與電池性能的關(guān)系。由圖可知，隨著GDL疏水程度的升高，單電池的性能逐漸升高。當(dāng)GDL疏水程度為40%時(shí)，電池性能最佳。

圖9 疏水度與電池性能之間的關(guān)系

3 結(jié)論

優(yōu)化燃料電池的MEA材料可以提高電池的性能，對(duì)于風(fēng)冷燃料電池電堆，電池的性能隨著GDL厚度的增加而增加，增加到最大值0.6 mm時(shí)隨著GDL的厚度增加而減小；對(duì)GDL的疏水處理不僅可以在常規(guī)電池中有利于電池的排水，還可以提高未加濕風(fēng)冷電堆的性能。GDL疏水程度為40%時(shí)，電池的性能發(fā)揮至最大值。

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