李 兵 鄧 林

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(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，有望成為汽車等裝置動力源的替代品.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.在PEMFC的運(yùn)行過程中，氣體反應(yīng)物分布在流場中，然后輸送到催化劑所在的催化層[2]。流場的結(jié)構(gòu)會對氣體分布均勻性、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，可以通過優(yōu)化傳質(zhì)和水熱管理的途徑來實(shí)現(xiàn)[3]。結(jié)構(gòu)合理的流場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)子穿過電解質(zhì)，提升電池輸出電流和功率。

PEMFC的流場主要有常規(guī)流場和三維流場，蛇形流場是一種使用較為廣泛的常規(guī)流場，金屬泡沫流場新型的三維流場[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)流場相比具備細(xì)微通孔結(jié)構(gòu)的金屬泡沫流場在孔隙率、氣體分布、水熱管理和質(zhì)子傳導(dǎo)等方面占據(jù)優(yōu)勢.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]等對金屬泡沫的多孔性能和潤濕性進(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，較平行流場最大功率密度可以提升15.6%。

圖1為常規(guī)蛇形流場(a)和金屬泡沫流場(b)。文章根據(jù)上述文獻(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)測試對比了蛇形流場和450μm、580μm、800μm、1200μm四種不同孔徑金屬泡沫流場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，較蛇形流場提升25.1%，最大功率密度可以達(dá)到100.45mV/cm2，較蛇形流場提升21.2%。

圖1 常規(guī)蛇形流場(a)和金屬泡沫流場(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單體測試臺架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)測試示意圖。

圖2 PEMFC性能測試示意圖

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后對電池進(jìn)行活化，以提升和穩(wěn)定MEA性能；

(2)通過控溫加濕瓶對空氣加濕至溫度為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進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，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 蛇形流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用單蛇形石墨流場作為電池陰陽兩極的氣體分配器，對制備熱壓溫度為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)測試。實(shí)驗(yàn)測試?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。蛇形石墨流場的功率密度曲線和伏安特性曲線見圖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，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，不同加濕溫度最大功率密度相差無幾。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 金屬泡沫流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 450μm金屬泡沫流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用450μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽兩極的氣體分配器，對制備熱壓溫度為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)測試。實(shí)驗(yàn)測試?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流場電池性能明顯低于蛇形石墨流場，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隨著電池工作溫度的增加呈下降趨勢，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金屬泡沫流場的電池性能對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孔徑過小，氣體傳輸受到阻礙，反應(yīng)氣體和氣態(tài)水分無法到達(dá)催化層，同時(shí)反應(yīng)物液態(tài)水卻無法及時(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金屬泡沫流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用580μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽兩極的氣體分配器，對制備熱壓溫度為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)測試。實(shí)驗(yàn)測試?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，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，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，較蛇形流場提升25.1%，最大功率密度可以達(dá)到100.45mV/cm2，較蛇形流場提升21.2%。與450μm金屬泡沫流場類似，在任一加濕溫度下，電池最大功率密度和最大電流密度會隨著電池工作溫度的增加略呈下降趨勢，但580μm金屬泡沫流場的電池性能對加濕溫度溫度較為敏感，主要的原因是金屬泡沫流場孔徑較為合理，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處于較為濕潤狀態(tài)，歐姆電阻和傳質(zhì)阻力均會降低，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金屬泡沫流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用800μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽兩極的氣體分配器，對制備熱壓溫度為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)測試。實(shí)驗(yàn)測試?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，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，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隨著電池工作溫度的增加呈下降趨勢，800μm金屬泡沫流場的電池性能對工作溫度較為敏感，主要的原因是金屬泡沫流場孔徑較大，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金屬泡沫流場實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 使用800μm鎳金屬泡沫作為電池陰陽兩極的氣體分配器，對制備熱壓溫度為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)測試。實(shí)驗(yàn)測試?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，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金屬泡沫流場電池性能表現(xiàn)與800μm金屬泡沫流場趨于一致，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)與蛇形流場相比，合適的細(xì)微通孔結(jié)構(gòu)金屬泡沫流場氣體均勻分布、水熱管理、歐姆電阻和傳質(zhì)阻力等方面優(yōu)于蛇形流場。

(2)對比四種不同孔徑金屬泡沫流場，580μm金屬泡沫流場性能較佳；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，較蛇形流場提升25.1%，最大功率密度可以達(dá)到100.45mV/cm2，較蛇形流場提升21.2%。