樊進(jìn)宣，衛(wèi) 星，曹濤鋒，陳 黎，陶文銓

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049）

質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，以其高效性、環(huán)保性、緊湊性等諸多優(yōu)點(diǎn)被越來越多的人所認(rèn)可。同時(shí)它也成為各國高校及研究機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。目前，質(zhì)子交換膜的研究方法主要是通過對(duì)極化曲線和局部電流密度分布的研究來改善電池性能。然而，由于影響電池性能的因素較多，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池僅做上述兩方面的分析是不全面的。Min等通過對(duì)質(zhì)子交換膜的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),只通過極化曲線和電流密度分布無法確定電池的工作狀態(tài),必須同時(shí)將陰極過電位分布考慮進(jìn)去才能得到唯一的電池工作狀態(tài)[1]。Han等通過在質(zhì)子交換膜內(nèi)加入一根金絲的方法測(cè)定了PEMFC中陰極和陽極的過電位[2]，但這種方法對(duì)于測(cè)定陰極過電位的分布來說還存在一定的困難。就目前的實(shí)驗(yàn)條件，無法通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得陰極過電位分布，所以為簡(jiǎn)單起見，我們通過測(cè)定陰極擴(kuò)散層表面的電位分布來代替陰極過電位分布。Freunberger曾經(jīng)用金絲測(cè)定過質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)U(kuò)散層和催化層之間的電流密度分布和電位分布[3]。Shen等通過在陰極擴(kuò)散層表面加入由銅絲制作的電壓傳感器測(cè)得在電流密度為600 mA/cm2時(shí)，空氣進(jìn)口處的電位比出口處高6 mV左右[4]。

通過對(duì)近十年所發(fā)表的文章的研究發(fā)現(xiàn)，PCB技術(shù)已經(jīng)成為燃料電池研究方面一種行之有效的方法，尤其是在便攜式燃料電池電源系統(tǒng)方面。1998年，Cleghorn首先提出利用PCB技術(shù)來測(cè)定質(zhì)子交換膜燃料電池電流密度分布并研究了氣體流量對(duì)電池進(jìn)出口電流密度的影響[5]。衛(wèi)星等人通過一種自行設(shè)計(jì)的質(zhì)子交換膜燃料電池電流密度測(cè)試PCB板研究了反映物流量和加濕溫度對(duì)電流密度分布的影響[6]。本文通過對(duì)“一種燃料電池局部電流密度測(cè)量流場(chǎng)板”專利的改進(jìn)，對(duì)不同電流密度下PEMFC電流密度分布及陰極擴(kuò)散層表面的電位分布進(jìn)行了測(cè)定，并得出結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中使用杜邦公司生產(chǎn)的Nafion1035質(zhì)子交換膜，膜的有效面積為25 cm2，厚度89μm，催化劑采用碳載鉑，Pt的用量為0.4mg/cm2，碳紙厚度為0.2mm，反應(yīng)氣采用H2/O2，氣體流動(dòng)方向均沿重力方向。流場(chǎng)板采用平直型流道，陽極采用傳統(tǒng)的石墨板作流場(chǎng)，11條流道，流道寬2.5mm，長(zhǎng)度50 mm，深度3mm，肋寬2.25mm。陰極采用PCB做流場(chǎng)板，除流道深度為1.5mm外，其余尺寸與陽極相同。圖1是實(shí)驗(yàn)所用燃料電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)示意圖。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文是在“一種燃料電池局部電流密度測(cè)量流場(chǎng)板”專利的基礎(chǔ)上，通過一系列改進(jìn)實(shí)現(xiàn)對(duì)PEMFC陰極擴(kuò)散層表面的電位分布進(jìn)行測(cè)量。圖2是該P(yáng)CB的實(shí)物示意圖。圖3是該P(yáng)CB的40個(gè)測(cè)點(diǎn)的分布及氣體進(jìn)出口位置的示意圖。在1.3節(jié)中對(duì)該P(yáng)CB的電阻值進(jìn)行了具體的分析，闡述了利用該P(yáng)CB板測(cè)定電流密度分布與陰極擴(kuò)散層表面電位分布的方法。

1.3 電路板電阻值分析

本實(shí)驗(yàn)主要研究質(zhì)子交換膜燃料電池陰極擴(kuò)散層表面的電流及電位分布，由于本實(shí)驗(yàn)中所用PCB板的電阻值過大，其值大約為0.05Ω，所以在實(shí)驗(yàn)過程中負(fù)載兩端的電壓達(dá)到0.1 V時(shí)，燃料電池的真正輸出電壓是0.538 V，而此時(shí)總電流只有8.17 A，平均電流密度為0.3268 A/cm2。

圖4是PCB板的簡(jiǎn)化電路圖,圖中A1,A2,…,A40代表陰極PCB上的每個(gè)覆銅層與擴(kuò)散層的接觸點(diǎn).B1,B2,…,B40與C1,C2,…,C40分別代表電路板上的固定電阻RS=1Ω兩端的電位采樣點(diǎn)，D點(diǎn)是燃料電池陰極與電子負(fù)載的連接點(diǎn)；電子負(fù)載所能決定的電壓值便是D點(diǎn)與電池陽極集流板之間的電壓；R1,R2,…,R40分別表示從每個(gè)PCB覆銅層到相應(yīng)的固定電阻之間的等效電阻；RS表示用于測(cè)定分電流所用到的固定電阻；R41和R42表示電路板中相應(yīng)的布線電阻。本實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)定A1,A2,…,A40點(diǎn)的電位值和每個(gè)RS兩端的電位差,前者即為燃料電池陰極擴(kuò)散層表面相對(duì)于陽極流場(chǎng)板的電位分布,而后者則在數(shù)值上等于陰極電流密度的分布值。

根據(jù)電阻計(jì)算公式R=ρL/S，式中：ρ為電阻率；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度；S為導(dǎo)線截面積。已知銅的電阻率在20℃時(shí)為0.018Ω·mm2/m，PCB布線厚度70μm，PCB走線寬度為1.5mm，各部分的布線長(zhǎng)度可以計(jì)算出各部分的電阻值如下:

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)分析

實(shí)驗(yàn)中氫氣和氧氣流量均選為0.2 L/m in，兩者均采用30℃加濕溫度。進(jìn)口壓力均為0.1MPa，實(shí)驗(yàn)過程中電池溫度為20℃。陰極流場(chǎng)板用帶有流道的PCB板代替，陽極仍采用石墨流場(chǎng)板。表1是該工況下電池的工作情況,表1中的修正電壓表示陰極擴(kuò)散層表面相對(duì)于陽極集流板的電壓，修正電流表示忽略PCB電阻后電路中的總電流值，修正電阻表示實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的PCB等效電阻值,負(fù)載電阻表示各工作電壓下電子負(fù)載的電阻值。對(duì)上述修正電阻求平均值可得平均修正電阻R修正=0.052453,比理論計(jì)算出的PCB總電阻R總=0.0398大，這可能是因?yàn)槔碚撚?jì)算中并未考慮PCB與擴(kuò)散層之間以及PCB與負(fù)載之間的接觸電阻。

表1 燃料電池工作參數(shù)

2.2 不同電壓下陰極擴(kuò)散層電位及陰極電流密度的分布情況

2.2.1 電池電壓為0.831 V時(shí)電流密度及電位的分布情況

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的40個(gè)點(diǎn)的電流及電位在TECPLOT中以二維分布圖的形式表示，圖5表示由40個(gè)結(jié)點(diǎn)所組成的二維網(wǎng)格圖。圖6和圖7分別是0.831 V時(shí)陰極電流及擴(kuò)散層表面的電位分布示意圖。從圖6可以看出在0.831 V時(shí)電流密度分布值比較小，最大值為0.035 A/cm2，位于氧氣進(jìn)口處，最小值為0 A/cm2，位于氫氣進(jìn)口處，同時(shí)在氫氣出口處的電流密度值也接近零。而在氧氣出口處的電流密度卻能達(dá)到0.025 A/cm2左右，這可能是在小電流下由于反應(yīng)生成的水很少，質(zhì)子交換膜的潤(rùn)濕主要通過加濕氣體來完成，而本實(shí)驗(yàn)中由于電池溫度較低，加濕氣中水分主要以液態(tài)形式存在，所以由于氣體的吹掃作用在氣體出口處膜的水含量會(huì)高于其他部位，從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。在圖7中，電位最大值位于氧氣進(jìn)口與氫氣出口之間的區(qū)域，而電位最小值同樣位于氫氣進(jìn)口處。電位分布值之間的差值最大在20mV左右。本文所測(cè)得的陰極擴(kuò)散層電位分布的差異比文獻(xiàn)[4]中所測(cè)得的結(jié)果大得多，這是因?yàn)樵谖墨I(xiàn)[4]中陰極流場(chǎng)板上的石墨與擴(kuò)散層直接接觸，這在一定程度上減小了擴(kuò)散層表面電位分布的差異。與電流分布不同的是，在氫氣出口處的電位值較大，而電流值卻很小，這在一定程度上說明此處的質(zhì)子交換膜的潤(rùn)濕狀況很差，從而導(dǎo)致了雖然電池兩端有較高的電壓，但由于質(zhì)子傳導(dǎo)受阻造成的電流密度很低的狀況。

圖5 由40個(gè)測(cè)點(diǎn)所組成的二維網(wǎng)格示意圖

圖6 電池電壓為0.831 V時(shí)陰極電流密度分布(A/cm2)

圖7 電池電壓為0.831 V時(shí)陰極電位分布(V)

2.2.2 電池電壓為0.541V時(shí)電流密度及電位分布情況

圖8和圖9分別為電池電壓為0.541 V時(shí)電流密度及擴(kuò)散層表面電位的分布。圖8中，隨著電池電壓的進(jìn)一步降低,電流密度值也隨著升高。平均電流密度達(dá)到0.3268 A/cm2，與前面的電流密度分布不同的是，最低電流密度分布點(diǎn)向氫氣進(jìn)口方向擴(kuò)展，即在第2排第2列和第3排第2列的電流密度都達(dá)到最小電流密度值0.14 A/cm2左右。同時(shí)可以看出，電流密度在氧氣進(jìn)口處隨電壓降低而增加的程度遠(yuǎn)大于在氧氣出口處的電流密度的增加程度，這說明隨著總電流的增加，氧氣濃度對(duì)電池陰極反應(yīng)的影響逐漸增大。在圖9中，最小電位和最大電位與平均電位之間的差距也進(jìn)一步增大，分別為141mV和59mV。

圖8 電池電壓為0.541 V時(shí)陰極電流密度分布(A/cm2)

圖9 電池電壓為0.541 V時(shí)陰極電位分布(V)

3 結(jié)論

(1)燃料電池陰極擴(kuò)散層表面的電位具有一定的分布，并不是處處均等。本實(shí)驗(yàn)條件下，在橫向上，陰極擴(kuò)散層表面的電位在總體上沿氧氣流動(dòng)方向是逐漸減小的；在縱向上，于氧氣進(jìn)口和出口處，都呈現(xiàn)出中間低，兩邊高的趨勢(shì)；而中間區(qū)域是比較均勻分布的。

(2)通過對(duì)電流密度分布與電位分布的比較可以發(fā)現(xiàn)，電流密度分布與電位分布并不是一致的。電流密度基本是沿著氣體的流動(dòng)方向逐漸減小，而電位分布則如（1）中所述，這說明在宏觀上僅靠對(duì)電池極化曲線和電流密度分布的研究無法對(duì)電池性能做出全面的分析。

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