風冷電堆材料特性對電池性能的影響

丁剛強，唐和清，裴后昌，劉志春，劉 偉

（1.華中科技大學化學與化工學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074；3.中國船舶重工集團公司第七一二研究所，湖北 武漢 430064）

質子交換膜燃料電池由于不受卡諾循環限制，其能量轉換效率高，無噪音、無腐蝕、壽命長、可靠性及維修性好、工作電流大、比功率高、能量效率高、冷啟動快、高效率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本[1-2]，成為世界各國研究的熱點。

相對于常規質子交換膜燃料電池系統，風冷燃料電池簡化了冷卻系統，空氣供給系統。使得質子交換膜燃料電池的便攜性能得到了極大的提高[3-4]。

1 實驗

1.1 實驗材料

如圖1和圖2所示流場板材料為石墨，活性面積20 cm2，陰極流道為直流道。

圖1 陽極流場

圖2 陰極流場

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。電堆由進氣盒供氣。結構如圖3所示。

圖3 測試電堆結構

1.2 電堆測試

實驗采用加拿大Greenlight公司的燃料電池測試系統FCATS G50，電堆測試條件：環境溫度20℃，氫氣過量系數為1.2，無外加濕。電堆陰極氣體（冷卻氣體）由進氣盒提供進氣，風量為500 L/min。電池穩定運行5 min后記錄數據。

2 實驗結果與討論

2.1 GDL厚度對電堆性能影響研究

采用不同厚度GDL制作膜電極，每片MEA進行了編號，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

測試條件：環境溫度20℃，氫氣過量系數為1.2，不外加濕。電堆陰極氣體（冷卻氣體）外進氣，由進氣盒提供進氣，風量為500 L/min。電池穩定運行5 min后記錄數據。

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

圖4 單片性能

為排除電池因為所在位置的不同而產生的性能差異，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，具體編號見表2。然后測試電池的性能。

表2 單電池GDL厚度編號

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。此種情況測得的電池性能與第一次組裝電池結果類似。即，GDL厚度為0.6 mm的單電池性能最佳，GDL厚度為1.0 mm時電池性能最差。在電流密度為120 mA/cm2時，電池最佳和最差性能相差0.07 V，在電流密度為480 mA/cm2時，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，電池反應氣體的濃度對電池的影響起了決定作用，即在480 mA/cm2時，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GDL的厚度增加至0.6 mm時電池的性能隨著炭紙厚度的增加而降低。GDL厚度對電池性能的性能影響在電流密度為480 mA/cm2時要高于低電流密度。

圖6 GDL厚度與電池性能之間的關系

當GDL厚度不超過0.6 mm時，在各電流密度下，電池的性能隨著GDL厚度增加而增加。當GDL厚度超過0.6 mm時，電池性能是隨GDL厚度的增加而降低的，此時，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時電池性能最差。

電池在運行時，要使電池保持高的電池性能，必須保證質子交換膜的充分潤濕和提供足夠的反應氣體。原則上，擴散層的厚度越薄越有利于電池的水管理和傳質。反之，當電池中GDL的厚度較厚時，反應氣體到達催化層參與電化學反應的能力降低，但是此時電池的保水能力增加。綜合考慮，在風冷電堆中，最優厚度的GDL在一定范圍內存在較優值。此時它保證電池的潤濕的同時使反應氣體順利到達反應區域。由圖6可知，在GDL沒有達到最佳厚度時，電池性能隨著GDL厚度的增加而增加，此時GDL的保水性能對電池的性能影響占主導地位。當GDL厚度超過最佳厚度時，反應氣體的濃度對電池的性能影響起主導地位。

2.2 GDL疏水度對電堆性能影響研究

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。若燃料電池在運行的過程中MEA的局部發生水淹，此時由于擴散層中的PTFE是憎水的，水能及時排除，同時增強氣體在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中過高的PTFE含量會導致催化層中的水淹程度。

實驗采用不同疏水程度GDL，炭紙厚度均為0.6 mm，制作MEA，每片MEA進行編號，壓制10片單電池，組裝小電堆，每片MEA的規格如表3。

表3 不同疏水程度GDL單電池

測試條件：環境溫度20℃，氫氣過量系數為1.2，不外加濕。電堆陰極氣體（冷卻氣體）外進氣，由進氣盒提供進氣，風量為500 L/min。電池穩定運行5 min后記錄數據。

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

圖7為測試風冷電堆的性能曲線，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，電堆的總電壓為4.56 V，單片平均電壓為0.456 V。在測試時，穩定運行電池5 min后記錄所需數據，比較單電池的性能。

圖7 電堆性能曲線

圖8為測試電堆單片電壓，從圖中可以得出，第二片和第七片單電池在測試過程中的性能始終最佳。當電流密度為600 mA/cm2時，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和第十號單電池，在電流密度為600 mA/cm2時，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時的電壓高0.12 V。從圖中可以得出，在本實驗中，相同材料的單電池的性能和其在電堆中所處位置關系不大。從圖8中還可以看出，當測試所給風量一定的情況下，GDL的疏水程度對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

由測試數據可以得出，在測試條件一定時，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GDL疏水程度為40%時，電池性能最佳。

圖9 疏水度與電池性能之間的關系

3 結論

優化燃料電池的MEA材料可以提高電池的性能，對于風冷燃料電池電堆，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時隨著GDL的厚度增加而減小；對GDL的疏水處理不僅可以在常規電池中有利于電池的排水，還可以提高未加濕風冷電堆的性能。GDL疏水程度為40%時，電池的性能發揮至最大值。

[1]王二東.小型自增濕自呼吸質子交換膜燃料電池及氫源的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學博士學位論文,2008.

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[3]GIORGI L,ANTOLINI E,POZIO A,et al.Influence of the PTFE content in the diffusion layer of low-Pt loading electrodes for polyme electrolyte fuel cells[J].Electrochemical Acta,1998,43(24):3675-3680.

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