倪蕾蕾

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070）

0 引言

氫能由于其可持續(xù)循環(huán)利用、清潔、高效、環(huán)境友好已經(jīng)被認(rèn)為是21世紀(jì)人類最理想的終極綠色能源解決方案。燃料電池是一種以氫為最佳燃料，不經(jīng)過燃燒而直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高效能量轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置。在眾多燃料電池技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是繼堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池之后發(fā)展起來的第五代燃料電，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)具有功率密度高、能量轉(zhuǎn)化效率高、啟動迅速、零排放等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適用于作為發(fā)電設(shè)備和電動汽車的動力源。質(zhì)子交換膜燃料電池電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心部件，是燃料電池的電能來源，其價格占據(jù)燃料電池系統(tǒng)成本的50%，未來行業(yè)的發(fā)展趨勢必然傾向于本土電堆。目前，按照系統(tǒng)的用途來分，電堆的功率通常有以下幾種：①100W以下的電堆用于便攜電源[1]；②1kW至10kW的電堆用于民用發(fā)電系統(tǒng)[2-6]；③幾十千瓦至上百千瓦的電堆用于汽車動力[7]；④幾百千瓦的電堆用于發(fā)電站[8]。

質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，由膜電極和雙極板的重復(fù)單元、兩側(cè)的流場單極板、兩側(cè)的集電板和兩側(cè)的端板組成。其中，膜電極組件（MEA）是質(zhì)子交換膜燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的核心部件，對燃料電池的性能和壽命有重要影響，主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴(kuò)散層組成；雙極板主要起到輸送和分配燃料、在電堆中隔離陰陽極氣體的作用，包括氫氣流場、冷卻水流場和空氣流場，冷卻水作為電堆中的冷卻單元，用以排出電堆內(nèi)部的熱量；同時，在雙極板和膜電極之間、膜電極和流場單極板之間有密封結(jié)構(gòu)；上述部件在螺栓的預(yù)緊力作用下構(gòu)成電堆。

在本文中，首先基于電堆額定功率需求設(shè)計(jì)、制備并測試了活性面積為25cm2膜電極三合一組件（MEA）小單電池；其次根據(jù)小單電池的測試結(jié)果，計(jì)算并設(shè)計(jì)5kW級電堆，包括雙級板、MEA和電堆結(jié)構(gòu)；再次，組裝并測試了6片MEA的短電堆性能；根據(jù)短電堆的測試數(shù)據(jù)，優(yōu)化并最終裝配了5kW級電堆并進(jìn)行了測試分析。

1 小單電池的制備和性能測試

為了保證質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電性能，本文采用以質(zhì)子交換膜作為催化劑層支撐體的MEA的制備模式。首先通過制備活性面積為25cm2的膜電極三合一組件（MEA）確認(rèn)電極本體的功率密度，具體工藝步驟如下。

1.1 涂敷催化劑的膜（CCM）的制備

由于Nafion膜具有強(qiáng)烈的收縮性，因此，制備CCM時要保證活性面積四周的膜的平整以及催化劑漿料具有較快的揮發(fā)性。通過將一定量的Pt/C催化劑、分散劑以及Nafion溶液混合均勻后，制備成催化劑漿料，將催化劑漿料通過超聲噴涂設(shè)備直接涂覆在質(zhì)子交換膜的兩側(cè)上，得到CCM電極。

1.2 氣體擴(kuò)散層（GDL）的制備

首先，將碳紙?jiān)谝欢舛鹊腜TFE乳液中浸泡，取出后懸掛陰干，之后放在高溫爐中進(jìn)一步燒結(jié)。再次，將含有PTFE乳液和碳粉的漿料涂敷在經(jīng)過燒結(jié)的碳紙上。最后，將涂有碳粉漿料層的碳紙放在高溫爐中再次燒結(jié)形成由碳紙和微孔層組成的GDL。

1.3 MEA的熱壓

MEA的熱壓是通過燃料電池專用熱壓機(jī)，將涂覆有催化劑層的質(zhì)子交換膜（CCM）置于兩片經(jīng)過處理的GDL之間粘合成為一個整體，制備得到MEA。MEA的活性面積為25cm2，其中，熱壓條件為：溫度160℃，壓力為0.7Mpa，時間為300s。

1.4 小單電池的性能

小單電池由活性面積為25cm2MEA、密封墊片、流場板、集電板、端板組成，為避免質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層的交界處由于應(yīng)力而破壞MEA，采用聚酰亞胺膠帶對質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層的交界處進(jìn)行封邊保護(hù)。采用石墨流場板，流場為單通道蛇形，密封墊材料為PTFE薄膜。當(dāng)單電池各部件按照順序排好后，通過螺桿給端板施加一定的壓力，將單電池各部件緊密的組裝在一起。

通過日本CHINO公司的FC5100單電池測試評價裝置對小單電池進(jìn)行三步法活化[9]和性能測試。圖1是小單電池的電流-電壓和電流-功率曲線圖，由圖1所示，當(dāng)單電池運(yùn)行在1200mA/cm2時，功率密度達(dá)到最大值0.57W/cm2；當(dāng)電池運(yùn)行在400mA/cm2時，其功率密度為0.293W/cm2；當(dāng)電池運(yùn)行在600mA/cm2時，其功率密度為0.408W/cm2。

圖1 小單電池性能曲線

2 5kW級電堆的設(shè)計(jì)

基于圖1的小單電池性能，在電堆設(shè)計(jì)時，選取500mA/cm2作為電堆活性面積設(shè)計(jì)時的電流密度，由圖1的數(shù)據(jù)可以估算出在此電流密度下，電堆中單電池功率密度為0.350W/cm2。對于額定功率為5kW的電堆，考慮到小MEA放大到電堆MEA性能上的損失并結(jié)合電堆流場的尺寸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)由50片MEA組成，雙極板采用石墨材料。

3 5kW級質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的性能評價

在自制的5至10KW級燃料電池評價裝置上對電堆的性能評價，采用日本菊水公司的1臺PLZ1004W（最大功率1kW）和3臺PLZ2004WB（每臺最大功率2kW）組合成最大功率7kW的電子負(fù)載。

3.1 短電堆的實(shí)驗(yàn)研究

在小單電池試驗(yàn)完成后，為了評價電堆MEA的制備工藝、雙極板的流場設(shè)計(jì)以及電堆密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要先通過組裝短堆進(jìn)行功能驗(yàn)證。本文首先裝配了含有6片MEA的短電堆，對裝配完成的短堆進(jìn)行活化與測試，圖2為短電堆的性能曲線圖。

圖2 短電堆性能曲線

由圖2可知，當(dāng)短電堆的工作電流為360A時，其功率為1037W。當(dāng)短電堆的工作電流為120A時，其功率為520W。當(dāng)短電堆的工作電流為180A時，其功率為726W。此外，基于圖2的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步可以預(yù)估出當(dāng)電流為160A時時，電堆中每片MEA 的平均功率為109.60W，若采用50片MEA組成電堆，此時的電堆功率會達(dá)到5460W。

3.2 5kW級電堆的實(shí)驗(yàn)研究

基于短電堆的測試結(jié)果，裝配了具有50片MEA的5kW級質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。對裝配完成的電堆進(jìn)行活化與測試，通過精確控制氣體流量、壓力和溫濕度，探索電堆性能。圖4為5kW級質(zhì)子交換膜燃料電池的性能曲線圖。當(dāng)電堆的工作電流為200A時，其功率為 6770W。由于在測試中所用電子負(fù)載的最大功率為7kW，因此，電堆性能測試時的最大電流只能設(shè)置到200A。當(dāng)電堆的工作電流為100A時，其功率為3789W。當(dāng)電堆的工作電流為150A時，其功率為5400W。

圖4 5kW級質(zhì)子交換膜燃料電池電堆性能曲線

圖5為當(dāng)電堆輸出功率為5400W時，電堆中各MEA電壓的實(shí)測值。其中，1號MEA位于圖3的電堆外觀圖的最左側(cè)，50號MEA位于圖3的電堆外觀圖的最右側(cè)。由圖5可見，當(dāng)電堆工作電流150A時，MEA的最高電壓為0.731V，最低電壓為0.712V，即最高電壓與最低電壓之間的差值為19mV，50片MEA的電壓差異比較均勻。電堆電壓的均勻性說明了MEA的制備的均勻性以及電堆的流場設(shè)計(jì)能夠較均勻地將氣體分配每個電池。

圖5 電堆中各單電池電壓

4 結(jié)論

本文首先研究了以質(zhì)子交換膜作為催化劑層支撐體的MEA制備工藝，對于活性面積為25cm2的MEA，當(dāng)電池運(yùn)行在400mA/cm2時，其功率密度為0.293W/cm2；當(dāng)電池運(yùn)行在600mA/cm2時，其功率密度為0.408W/cm2。基于25cm2的MEA的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了5kW電堆的MEA和雙極板，在此基礎(chǔ)上裝配了含6片MEA的短電堆并進(jìn)行了測試。最后，裝配了具有50片MEA的5kW級質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，當(dāng)電堆工作在150A時，其功率為5400W，當(dāng)電堆工作在200A時，其功率為6770W；此外，電堆中MEA的最高電壓與最低電壓之間的差值為19mV，這說明50片MEA的電壓差異比較均勻。