一体式再生燃料电池性能

张新荣，王 涛，张 伟，刘 向，孙 毅，王 东

（上海空间电源研究所，上海 200233）

研究开发

一体式再生燃料电池性能

张新荣，王 涛，张 伟，刘 向，孙 毅，王 东

（上海空间电源研究所，上海 200233）

报道了反应条件对一体式再生燃料电池单体电池性能的影响，并对单体电池的极化特性和循环稳定性进行测试。结果表明：URFC单体电池表现出优异的电性能和良好的循环稳定性。双模式工作条件下，反应温度控制在60～70 ℃比较合适。在燃料电池模式下，提高氧气压力可以更显著的提高电池性能；在氢气相对湿度为100%条件下，氧气相对湿度对电池性能影响不大，当电流密度大于500 mA/cm2时，采用干态氧气和相对湿度为100%氧气时，电池性能趋于一致。

一体式再生燃料电池；反应条件；FC/WE双模式工作；性能

Abstract：The influence of reaction conditions on the performance of a unit cell of unitized regenerative fuel cell（URFC）was reported. The cycling performance and polarization curves of the unit cell of URFC in the hydrogen and oxygen fuel cell and water electrolysis modes were tested. The unit cell of URFC exhibited excellent performance and stability in cycling test during URFC operation. The results showed that the optimum reaction temperature was from 60 ℃ to 70 ℃ in both fuel cell and water electrolysis modes. In fuel cell mode，increasing oxygen pressure would improve remarkably the performance of URFC. At hydrogen relative humidity of 100%，oxygen relative humidity had less influence on the performance of URFC in fuel cell mode. The performance of the unit cell by oxygen without humidifying was identical to that of the unit cell by oxygen relative humidity of 100% in fuel cell mode when current density was greater than 500 mA/cm2.

Key words：unitized regenerative fuel cell（URFC）；reaction conditions；FC/WE bifunctional mode；performance

一体式再生燃料电池（unitized regenerative fuel cell，URFC）是燃料电池（fuel cell，FC）和水电解（water electrolysis，WE）功能合二为一的双效燃料电池[1-6]，既可减轻系统重量，又可提高系统可靠性。具有响应速度快，动力特性好，可持续大电流工作，循环寿命长，维修方便，无污染等优势，是再生燃料电池中较先进的一种技术。URFC水电解模式现场制氢即可解决燃料电池“氢源”问题，克服目前单一燃料电池系统对氢气基础设施的依赖，如果与风能、太阳能等可再生能源发电技术联合使用，氢气制取将更加经济、清洁、高效。因此，URFC的应用可因地制宜，更加灵活、方便。本研究在关键材料和技术解决的基础上装配URFC单体电池，考察反应温度、气体操作压力、气体加湿条件对URFC性能的影响，同时对单体电池的极化特性和FC/WE双模式循环稳定性进行测试，为多单体电池堆的装配和结构参数的优化提供基本参数和理论依据。

1 实 验

1.1 膜电极组件的制备

采用将催化剂直接喷涂在质子交换膜上的工艺制备膜电极[7]，电极活性面积50 cm2，亲水性膜电极，扩散层为耐腐蚀的薄型多孔钛金属材料，质子交换膜为DuPont Nafion膜。利用自制抽真空加热工具将质子交换膜整平，使用精密自动喷涂装置将配制好的催化剂浆料均匀喷涂在质子交换膜上。根据喷涂装置每次循环喷涂的催化剂量来控制氢电极和氧电极催化剂的载量，从而实现氢电极催化剂（40% Pt/C）载量为1.0 mg/cm2，氧电极复合催化剂（Pt和IrO2）载量总和为2.0 mg/cm2。制备好的膜电极与耐腐蚀扩散层组成膜电极组件，外加保护边框。

1.2 电池的装配

将URFC相关零部件按照预先设计的单元结构进行装配，在专用工装和压机恒压条件下装配，采用传统的“压滤机”式装配结构。电池装配完成后，首先进行外漏和互漏检查，然后进行活化处理，最后对反应条件的影响及电池工作性能进行测试，图1是装配好的单体电池实物照片。

图1 URFC单体电池的实物照片

1.3 电性能测试评估系统

采用自制的 URFC工作站测试电池的性能，测试装置流程如图2所示。燃料电池模式工作时，氢气和氧气减压后进入鼓泡加湿罐，然后进入电池，水罐内的水循环进入电池水路通道调控电池的反应温度。气体压力有精密压力表测定，增湿温度自动控制，气体流量由调节阀控制，放电电流由电子负载调节。水电解模式工作时，水罐内的水经循环泵进入电池，水温和流量由检测器控制，电解电流由外接直流电源提供，水电解产生的氢氧气体可以直接排放，也可以水气分离、干燥后储存。为了便于监测单电池的运行工况，还专门配备由单片机控制的单电池电压扫描单元，电压扫描的结果通过总线上传给数据采集和控制单元，用于显示、报警和控制。采用Fluke2686A数字采集系统进行单体电池电压测量、记录，定时人工记录反应介质及循环水温度变化情况。

URFC测试条件如下。燃料电池模式：氢氧并流，氢氧水逆流，氢氧进气表压0.08～0.18 MPa，氢氧增湿温度70～80 ℃，电池温度50～80 ℃。水电解模式时：电池温度 50～80 ℃，反应介质水进口表压0.18～0.2 MPa，阳极注水。

图2 URFC电性能测试流程图

2 结果与讨论

2.1 反应温度对电池性能的影响

图3所示是氢氧进气表压在0.14 MPa条件下，反应温度对URFC双模式运行时电池性能的影响。从图中可以看出，FC/WE双模式运行条件下，反应温度对燃料电池性能影响相对较小，对水电解性能影响比较明显。

燃料电池运行模式下，在反应温度为 50～70℃范围内，随着反应温度的增加，燃料电池性能轻微增加，3个反应温度条件下电池性能基本接近。当反应温度进一步增加到 80 ℃时，燃料电池性能却明显下降。根据Yim等[8]的报道，分析认为，在本测试系统 80 ℃反应条件下，质子交换膜干涸、加湿度不够，电导率下降，膜内阻增加，导致电池性能下降。

图3 反应温度对URFC性能影响

水电解运行模式下，在反应温度为50～80 ℃范围内，随着反应温度的增加，电解电压持续下降，水电解性能持续增加。可以看出，反应温度的升高明显增加了水电解的性能。

根据测试结果，在兼顾 FC/WE双功能特性、获得最佳能量转换效率的前提下，双模式运行时反应温度控制在60～70 ℃比较合适。

2.2 反应气体操作压力对电池性能的影响

URFC在燃料电池模式工作时，电池性能与氢气和氧气的操作压力密切相关。因为改变氢气和氧气压力可以改变电池流场内两种气体的密度，进而影响电极反应的极化值。所以，提高氢气和氧气的操作压力不但可以提高电极反应动力学性能，而且还可以提高电池的能量转化效率。但是，过高的反应气体操作压力对电池本身及系统的设计要求相对提高。因此，在实际操作过程中，应该选择合适的气体操作压力，即保持电池性能，又可降低对系统设计的要求。

图4 氢气压力对URFC性能影响（FC模式）

图5 氧气压力对URFC性能影响（FC模式）

图4和图5分别为燃料电池模式下、反应温度在 65～70 ℃条件下，氢气和氧气操作压力对电池性能的影响。从图中可看到，随着氢气或氧气操作压力的增加，电池性能逐渐升高。两图对比可以明显看出，改变氧气的压力对电池性能影响比改变氢气的压力对电池性能影响更为明显。分析认为，由于氧电极缓慢动力学特性，提高氧气压力比提高氢气压力可以更显著地提高电池性能。同时，为了提高阴极生成水向阳极的扩散能力，一般氧气的压力稍微高于氢气的压力，这样对反应状态更加有利。

2.3 反应气体相对湿度对电池性能的影响

URFC的性能与膜电极中使用的质子交换膜的电导率密切相关，膜中质子传递速率直接限制了电池电流密度的大小。目前使用的主要是 Nafion膜（即质子交换膜），质子交换膜在传导质子过程中必须有水存在，其电导率与质子交换膜的水含量呈线性关系，质子交换膜的水含量越高，其电导率越高。因此，为了保持质子交换膜的高电导率，降低电池内阻，必须对反应气体进行增湿，保证质子交换膜不失水，尤其是在氢电极侧和进口处不失水，确保质子交换膜处于良好的水合状态，解决质子交换膜在电池运行中的干燥问题。URFC在水电解模式工作时，由于反应介质是水，质子交换膜的增湿不存在问题。URFC在燃料电池模式工作时，反应介质为氢氧气体，此时需要考虑反应气体的增湿问题。在试验过程中采用鼓泡加湿器的外部增湿方式，图6和图7分别为燃料电池模式下，氢气相对湿度为100%条件下，氧气分别为干态气体和相对湿度100%气体时电池的极化特性和 500mA/cm2恒电流放电时的运行情况。

图6 氧气相对湿度对URFC性能影响（FC模式）

图7 氧气相对湿度对URFC稳定性的影响（FC模式）

从图6可以看到，在小电流密度运行时，使用干态氧气时，电池的工作电压相对低，使用相对湿度 100%氧气时，电池的工作电压相对高。而当工作电流密度大于500mA/cm2时，使用干态氧气与使用相对湿度 100%氧气相比较，电池的工作电压接近并逐渐趋于一致。分析认为：燃料电池模式工作时，氢氧反应产生的水在一定程度上维持了阴极氧气的相对湿度，特别是大电流密度运行时，阴极产生水量增加，提高了阴极氧气的相对湿度，保证了质子交换膜内的含水量处于平衡状态，质子交换膜内含水量趋于饱和状态，表现为大电流密度运行时，使用干态氧气和相对湿度为100%氧气时，电池性能趋于一致。

从图7可以看到，在电流密度为500 mA/cm2条件下，经过连续8 h恒电流放电试验，可以看到使用相对湿度 100%氢气和干态氧气时，电池同样可以稳定运行。根据前面分析可知，反应过程中阴极产生的水在一定程度上维持了阴极氧气的相对湿度，质子交换膜内含水量处于稳定状态，保证了电池的稳定运行。

2.4 URFC单体电池的性能

在反应条件优化确定的基础上，对单体电池的极化特性、功率特性和双模式循环稳定性进行测试。测试条件为：FC/WE双模式运行，反应温度为65～70 ℃，燃料电池模式运行时氢氧进气表压为 0.14 MPa，氢氧气体增湿，测试结果如图8所示。

图8 URFC单体电池双模式运行电性能

URFC单体电池极化特性曲线表明，在电流密度为500 mA/cm2时，燃料电池模式下[图8（a）]，工作电压为0.777 V，功率密度为389 mW/cm2；水电解模式下[图8（b）]，工作电压为1.543 V，功率密度为772 mW/cm2；URFC充放电循环电压效率为50.3%[9]。结果表明，单体电池表现出良好的双功能特性，具有优异的电性能。

URFC单体电池在500mA/cm2恒电流密度条件下进行循环性能测试，累计运行100 h，FC/WE双模式工作循环50次。测试结果表明，单体电池经过FC/WE双模式循环试验后，URFC性能基本保持不变，燃料电池模式运行时，电池性能下降1.4%，水电解模式运行时，电池性能下降1.1%，单体电池表现出优异的FC/WE双模式循环稳定性。URFC单体电池极化特性和双模式循环测试表明，本研究所装配的URFC单体电池表现出优异的电性能和良好的循环稳定性。分析认为：①URFC电池结构设计合理，关键材料和工艺条件选择合适；②耐腐蚀薄型多孔金属材料作为膜电极支撑扩散层，显著改善了膜电极在水电解模式下的抗腐蚀性能，提高了电池在双模式运行环境下的循环稳定性。

3 结 论

考察了反应温度、气体操作压力、气体加湿条件对URFC单体电池性能的影响，以及单体电池的极化特性和FC/WE双模式循环稳定性。结果表明：URFC单体电池表现出优异的电性能和良好的循环稳定性。双模式工作条件下，反应温度控制在 60～70 ℃比较合适。在燃料电池模式下，提高氧气压力可以更显著的提高电池性能；在氢气相对湿度为100%条件下，氧气相对湿度对电池性能影响不大，当电流密度大于500 mA/cm2时，采用干态氧气和相对湿度为100%氧气时，电池性能趋于一致。

[1] Salwan S D，Sopian K，AlghouL M A，etal. Review of the membrane and bipolar plates materials for conventional and unitized regenerative fuel cells[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13：1663-1668.

[2] Chen G B，Zhang H M，Ma H P，et al. Effect of fabrication methods of bifunctional catalyst layers on unitized regenerative fuel cell performance[J]. Electrochemistry Communications，2009，54：5454-5462.

[3] Chen G B，Zhang H M，Cheng J B，et al. A novel membrane electrode assembly for improving the efficiency of the unitized regenerative fuel cell[J]. Electrochemistry Communications，2008，10：1373-1376.

[4] Jung H Y，Park S，Popov B N. Electrochemical studies of an unsupported PtIr electrocatalyst as a bifunctional oxygen electrode in a unitized regenerative fuel cell[J]. J. Power Sources，2009，191：357-361.

[5] Jung H Y，Huang S Y，Popov B N. High-durability titanium bipolar plate modified by electrochemical deposition of platinum for unitized regenerative fuel cell（URFC）[J]. J. Power Sources，2010，195：1950-1956.

[6] Song S H ，Zhang H ，Ma X P，et al. Bifunctional oxygen electrode with corrosion-resistive gas diffusion layer for unitized regenerative fuel cell[J]. Electrochemistry Communications，2006，8：399-405.

[7] 张新荣，童莉，王涛，等. 一体式再生燃料电池双效膜电极的研究[J]. 电源技术，2010，34（9）：915-918.

[8] Yim S D，Lee W Y，Yoon Y G，et al. Optimization of bifunctional electrocatalyst for PEM unitized regenerative fuel cell[J]. Electrochimica Acta，2004，50，713-718.

[9] 宋世栋，张华民，马霄平，等. 一体式可再生燃料电池[J]. 化学进展，2006，10：1375-1380.

Performance of unitized regenerative fuel cell

ZHANG Xinrong，WANG Tao，ZHANG Wei，LIU Xiang，SUN Yi，WANG Dong
（Shanghai Institute of Space Power Sources，Shanghai 200233，China）

TM 911.4

A

1000–6613（2011）04–0734–05

2010-09-26；修改稿日期：2010-11-01。

及联系人：张新荣（1971—），女，高级工程师。E-mail zhangxinronghit@163.com。