肖偉強

[ 航天氫能(上海)科技有限公司，上海 200241 ]

氫燃料電池具有燃料能量轉(zhuǎn)化率高、噪音低以及零排放等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等領(lǐng)域[1-2]。作為氫燃料電池中的一種，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以質(zhì)子交換膜(PEM)為電解質(zhì)，Pt等貴金屬為催化劑，直接使燃料(氫氣或重整氣)與氧化劑(氧氣)發(fā)生反應(yīng)，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，反應(yīng)產(chǎn)物為水，可以真正實現(xiàn)零排放。由于反應(yīng)不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高[3]。

本文作者描述了一種對PEMFC性能進行全面測試評估的方法。PEMFC電堆裝配完成后，經(jīng)過活化，進行極化測試、敏感性測試和穩(wěn)定性測試，從而評估電堆的性能。該體系可以對燃料電池堆的設(shè)計及工藝進行評估，還可以評估不同供應(yīng)商的膜電極(MEA)、雙極板及流場設(shè)計及工藝，可以系統(tǒng)性地分析特點。

1 實驗

1.1 膜電極組件(MEA)的制作

將5%Nafion溶液(美國產(chǎn))、20%Pt/XC-72R催化劑(英國產(chǎn)，Pt用量0.5 mg/cm2)以及一定量的異丙醇溶劑(上海產(chǎn)，99.9%)混合，在超聲波條件下震蕩30 min，制成漿料。采用超聲噴涂儀(蘇州產(chǎn))把漿料直接均勻噴涂到Gore M740.18質(zhì)子交換膜(美國產(chǎn)，厚度18 μm)的兩面，噴涂工藝為：噴頭移動速度60 mm/s，漿料注射速度2.5 mL/min，制成催化劑涂層膜(CCM)，再在CCM四周熱壓上聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)材質(zhì)的Q51成品邊框(美國產(chǎn))，熱壓條件為：溫度為90 ℃、壓力為2 MPa、時間為1 min。然后，在反應(yīng)區(qū)壓合上SGL29BC氣體擴散層(GDL，德國產(chǎn))，壓合條件為：在邊框與GDL的重合區(qū)，用點膠機點膠(蘇州產(chǎn)，G636/單組分硅膠)，壓力1 000 N，時間1 min，制得七合一的MEA(300 mm×200 mm)。

1.2 電堆裝配

雙極板材料采用密度高、透氣率低、導(dǎo)熱性及導(dǎo)電性良好的石墨板(上海產(chǎn))，氣體流道為蛇形流道，采用機加工的工藝，尺寸為：槽寬0.9 mm，槽深0.9 mm，脊寬0.6 mm。將MEA、雙極板、密封件、導(dǎo)流板和端板按照一定的工序裝配，在壓力機上采用螺桿緊固的方式以27 kN的壓力組裝成燃料電池堆。該電堆由160只單體電池組成，額定功率為30 kW，膜電極的有效反應(yīng)面積為350 cm2。

1.3 驗證測試

PEMFC電堆制成后，在JHS-120K電堆測試臺(臺灣省產(chǎn))上，進行活化、極化、敏感性及穩(wěn)定性等測試，從而評估電堆的操作條件。該PEMFC是針對客車進行開發(fā)的，根據(jù)客車的需求、輔助設(shè)備(BOP)的選型以及電堆本身的特性，制定了電堆的操作條件，如表1所示。為了提高PEMFC低溫啟動的可靠性，去除空氣增濕器，簡化系統(tǒng)，采用氫氣與空氣對流增濕等工藝，陰極入口空氣不增濕，而MEA陰極側(cè)保持合適的濕度。

表1 燃料電池電堆的操作條件

活化采用800 mA/cm2恒流24 h無間斷活化工藝，操作條件基于表1?？紤]到燃料電池活化的一個主要過程是對質(zhì)子交換膜的加濕，所以氫、空氣體入口濕度調(diào)整到RH=100%(60 ℃)。極化曲線測試操作條件基于表1，負載從0加載到1 000 mA/cm2，具體步驟見表2。

表2 電流加載表

敏感性測試包含：氫氣、空氣流量敏感性，氫氣、空氣進氣相對濕度敏感性，電堆溫度敏感性以及氣體入口壓力敏感性。采用敏感性實驗對30 kW電堆進行測試驗證，操作條件見表1，分別在400 mA/cm2與800 mA/cm2兩個階段，進行單一變量操作，每個節(jié)點穩(wěn)定運行15 min，進而分析對電堆性能的影響。單一變量分別為氫氣/空氣流量、氫氣/空氣入口相對濕度、電堆溫度、反應(yīng)氣體壓力。氫氣/空氣流量在實驗過程中，采用計量比來表示流量操作，從低到高進行操作；氫氣/空氣入口相對濕度從低到高進行調(diào)節(jié)；電堆溫度從低到高進行調(diào)節(jié)；反應(yīng)氣體壓力從低到高進行調(diào)節(jié)。穩(wěn)定性測試選擇在800 mA/cm2連續(xù)運行8 h，重復(fù)實驗2次，操作條件見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 活化

組裝后的PEMFC，性能還未達到最佳狀態(tài)，需要進行活化。PEMFC的性能會在活化之后逐步提高，并達到穩(wěn)定。PEMFC的核心部件是MEA，PEMFC的活化就是MEA的活化，即提高MEA的性能[4]。燃料電池常用的活化工藝有恒流活化與變流活化，兩者各有優(yōu)缺點。相對而言，恒流活化時燃料電池內(nèi)部的水平衡更穩(wěn)定。實驗用PEMFC電堆的活化結(jié)果如圖1所示。

圖1 PEMFC電堆的活化曲線

從圖1可知，運行13 h后，電壓基本保持穩(wěn)定，表明電堆達到穩(wěn)定?；罨瓿桑姸研阅苓_到預(yù)期，可進行后續(xù)實驗。

2.2 極化

評價PEMFC電堆最常用的工具之一是極化曲線。按照上述實驗條件，連續(xù)運行得到3組極化曲線，結(jié)果見圖2。由于空氣采用干空氣，電堆在小電流密度運行，會出現(xiàn)偏干現(xiàn)象，導(dǎo)致性能下降。

圖2 PEMFC電堆的極化曲線

從圖2可知，3組曲線基本吻合，說明活化后，電堆的性能得到提高，且性能穩(wěn)定；也說明當(dāng)前的操作條件對電堆的匹配較好，在此操作條件下，電堆的極化曲線具有可重復(fù)性。

2.3 敏感性

2.3.1 氫氣/空氣流量

一般來說，氣體流量越高，燃料電池的性能越好，主要表現(xiàn)在流量高有助于電堆排出多余的水，不會產(chǎn)生水淹現(xiàn)象，同時，高空氣流量可保持較高的氧濃度，從而提升電堆性能。實驗采用化學(xué)計量比來表示流量，結(jié)果見圖3。

圖3 氫氣/空氣計量比對電堆平均電壓的影響

從圖3可知，提高氫氣計量比，電堆性能基本不變，保持穩(wěn)定，說明氫氣計量比的敏感性較低，運行過程中計量比可選區(qū)間較大。空氣計量比從2.0提升到2.5，電堆性能明顯上升，原因是空氣分壓與濃度提高占主導(dǎo)作用；繼續(xù)從3.0提升到3.5，電堆性能出現(xiàn)下降且電壓標準差增大，電堆均一性變差，原因是空氣流量過大，帶走了電堆更多的水分，使內(nèi)阻上升占主導(dǎo)作用?？諝庥嬃勘葟?.5提升到3.0，電壓較穩(wěn)定，因此評估氫氣計量比取1.3、空氣計量比取2.5是較合適的參數(shù)。

2.3.2 氫氣/空氣入口相對濕度

濕度對PEMFC電堆的性能有重要影響，因為質(zhì)子傳輸機制嚴重依賴于膜的含水量。在保持電堆入口溫度60 ℃不變的情況下，測試陽極和陰極側(cè)的電堆入口相對濕度對電堆性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 氫氣/空氣相對濕度對電堆平均電壓的影響

從圖4可知，氫氣/空氣的濕度變化對電堆的性能影響較小，說明當(dāng)前設(shè)計的電堆，氫氣與空氣的流向是相對的，空氣的出口對應(yīng)氫氣的入口，氫氣的出口對應(yīng)空氣的入口。由于水管理得較好，使膜處于一種較好的含水狀態(tài)。可以看出，濕度敏感性對標準差的影響不大，電堆一致性較好。

2.3.3 電堆溫度

溫度對PEMFC電堆的性能影響較大。由于電堆內(nèi)部的溫度分布不均勻，且無法直接測量，可以選擇冷卻液出、入口溫度或兩者的平均值作為電堆溫度進行評估[5]。溫度對膜的增濕程度影響較大，因此對質(zhì)子電導(dǎo)率也有較大的影響。實驗采用冷卻液進口溫度表示電堆溫度，結(jié)果見圖5。

圖5 冷卻液溫度對電堆平均電壓的影響

從圖5可知，溫度從40 ℃上升至60 ℃時，電堆電壓標準差減小，均一性上升，電堆性能提升，主要因為溫度升高加快化學(xué)反應(yīng)速率，增大了膜的離子電導(dǎo)率；溫度從60 ℃上升至80 ℃時，電堆電壓標準差增大，均一性下降，電堆性能下降，說明電堆出現(xiàn)水熱管理問題以及膜干燥現(xiàn)象，導(dǎo)致了離子電導(dǎo)率的下降以及更大的活化損失。由此可知，電堆合適的工作溫度為50～70 ℃，在60 ℃左右性能最佳。

2.3.4 反應(yīng)氣體壓力

PEMFC可以在環(huán)境壓力或增壓狀態(tài)下工作，當(dāng)工作壓力增大時，PEMFC電勢會增大，從而產(chǎn)生更大的功率[6]。氣體入口壓力對電堆平均電壓的影響見圖6。實驗時，為避免因壓差造成質(zhì)子膜機械性能的損壞，陰陽極氣體入口壓力采用相同值。

圖6 氣體入口壓力對電堆平均電壓的影響

從圖6可知，隨著壓力的上升，電堆的性能得以提升，但考慮到PEMFC系統(tǒng)的整體設(shè)計以及空壓機的選型，沒有進一步提高壓力。反應(yīng)氣體入口壓力設(shè)定為50 kPa，也比較符合電堆操作條件。

2.4 穩(wěn)定性測試

電堆穩(wěn)定性測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 電堆穩(wěn)定性測試結(jié)果

從圖7可知，以800 mA/cm2時運行8 h，電壓下降速率為0.75 mV/h；間隔24 h后再次運行8 h，電壓下降速率降低至0.63 mV/h，且第2次運行的性能略高于首次運行，說明8 h運行導(dǎo)致的性能下降是可恢復(fù)的。電堆在此工況下的運行性能比較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文作者描述了一種對PEMFC性能進行全面測試評估的方法。實驗結(jié)果表明：30 kW額定功率電堆測試中，恒流活化只要13 h就滿足實驗要求，極化曲線3次測試基本吻合。敏感性測試中，溫度對電堆性能影響最大，60 ℃左右性能最佳，其次是空氣計量比與氣體反應(yīng)壓力，空氣計量比取2.5、氣體壓力50 kPa是該電堆比較合適的值；氫氣計量比與氫空氣體濕度對電堆性能影響較小，取值范圍較廣。穩(wěn)定性測試中，下降速率為0.63 mV/h，次日可恢復(fù)，說明該操作條件比較匹配電堆。

該測試方法可以比較全面地對PEMFC電堆的操作條件進行評估。該測試方法對電堆的狀態(tài)進行描述，具有全面性、針對性以及有效性等特點，但有缺少操作參數(shù)相互之間耦合分析的缺點，有待改進。