风冷电堆材料特性对电池性能的影响

丁刚强，唐和清，裴后昌，刘志春，刘 伟

（1.华中科技大学化学与化工学院，湖北 武汉 430074；2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074；3.中国船舶重工集团公司第七一二研究所，湖北 武汉 430064）

质子交换膜燃料电池由于不受卡诺循环限制，其能量转换效率高，无噪音、无腐蚀、寿命长、可靠性及维修性好、工作电流大、比功率高、能量效率高、冷启动快、高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本[1-2]，成为世界各国研究的热点。

相对于常规质子交换膜燃料电池系统，风冷燃料电池简化了冷却系统，空气供给系统。使得质子交换膜燃料电池的便携性能得到了极大的提高[3-4]。

1 实验

1.1 实验材料

如图1和图2所示流场板材料为石墨，活性面积20 cm2，阴极流道为直流道。

图1 阳极流场

图2 阴极流场

GDL 采用 Torry 炭纸，厚度分别为 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm，膜为Nafion211。

采用不同厚度GDL制作膜电极，制作单电池组装成电堆。电堆由进气盒供气。结构如图3所示。

图3 测试电堆结构

1.2 电堆测试

实验采用加拿大Greenlight公司的燃料电池测试系统FCATS G50，电堆测试条件：环境温度20℃，氢气过量系数为1.2，无外加湿。电堆阴极气体（冷却气体）由进气盒提供进气，风量为500 L/min。电池稳定运行5 min后记录数据。

2 实验结果与讨论

2.1 GDL厚度对电堆性能影响研究

采用不同厚度GDL制作膜电极，每片MEA进行了编号，压制8片单电池，组装小电堆，每片MEA的GDL厚度如表1所示。

表1 单电池GDL厚度编号

测试条件：环境温度20℃，氢气过量系数为1.2，不外加湿。电堆阴极气体（冷却气体）外进气，由进气盒提供进气，风量为500 L/min。电池稳定运行5 min后记录数据。

图4为电池在 120、240、360、480 mA/cm2时的单片电压。从图中可以看出，在电堆风量一定的情况下，电堆中第五片与第二片单电池在测试过程中的性能最佳，其GDL厚度均为0.6 mm。电堆中第八片性能最差，其对应的GDL厚度为1.0 mm。在电流密度为120 mA/cm2时，电池最佳和最差性能相差0.07 V，在电流密度为480 mA/cm2时，电池最佳和最差性能相差0.13 V。

图4 单片性能

为排除电池因为所在位置的不同而产生的性能差异，将电池重新组装。将表1中单电池性能最差的单片和性能最好的单片互换位置，具体编号见表2。然后测试电池的性能。

表2 单电池GDL厚度编号

由图5可得，电池中第一片和第八片电池的性能较其它单片性能要好，其GDL厚度为0.6 mm。电池性能最差的为第五片，其GDL厚度为1.0 mm。此种情况测得的电池性能与第一次组装电池结果类似。即，GDL厚度为0.6 mm的单电池性能最佳，GDL厚度为1.0 mm时电池性能最差。在电流密度为120 mA/cm2时，电池最佳和最差性能相差0.07 V，在电流密度为480 mA/cm2时，电池最佳和最差性能相差0.14 V。

从图4和图5中还可以看出，GDL厚度对电池性能的影响在高电流密度下要高于低电流密度。其原因是：在高电流密度下，电池反应气体的浓度对电池的影响起了决定作用，即在480 mA/cm2时，GDL厚度为1.0 mm的单电池的性能最差。

从图6可以看出，在风冷电堆中，随着GDL厚度的增加，单电池的性能逐渐升高，但是当GDL的厚度增加至0.6 mm时电池的性能随着炭纸厚度的增加而降低。GDL厚度对电池性能的性能影响在电流密度为480 mA/cm2时要高于低电流密度。

图6 GDL厚度与电池性能之间的关系

当GDL厚度不超过0.6 mm时，在各电流密度下，电池的性能随着GDL厚度增加而增加。当GDL厚度超过0.6 mm时，电池性能是随GDL厚度的增加而降低的，此时，随着电流密度的增加，GDL厚度越厚，电池的性能下降幅度越大。在图中，1.0 mm GDL在480 mA/cm2时电池性能最差。

电池在运行时，要使电池保持高的电池性能，必须保证质子交换膜的充分润湿和提供足够的反应气体。原则上，扩散层的厚度越薄越有利于电池的水管理和传质。反之，当电池中GDL的厚度较厚时，反应气体到达催化层参与电化学反应的能力降低，但是此时电池的保水能力增加。综合考虑，在风冷电堆中，最优厚度的GDL在一定范围内存在较优值。此时它保证电池的润湿的同时使反应气体顺利到达反应区域。由图6可知，在GDL没有达到最佳厚度时，电池性能随着GDL厚度的增加而增加，此时GDL的保水性能对电池的性能影响占主导地位。当GDL厚度超过最佳厚度时，反应气体的浓度对电池的性能影响起主导地位。

2.2 GDL疏水度对电堆性能影响研究

为了便于水管理，GDL一般是用PTFE疏水处理改善其特性后再在燃料电池里面使用。若燃料电池在运行的过程中MEA的局部发生水淹，此时由于扩散层中的PTFE是憎水的，水能及时排除，同时增强气体在GDL中的传输。因此合适的PTFE含量可以有效的去除GDL中的水，提高燃料电池电堆的性能。然而GDL中过高的PTFE含量会导致催化层中的水淹程度。

实验采用不同疏水程度GDL，炭纸厚度均为0.6 mm，制作MEA，每片MEA进行编号，压制10片单电池，组装小电堆，每片MEA的规格如表3。

表3 不同疏水程度GDL单电池

测试条件：环境温度20℃，氢气过量系数为1.2，不外加湿。电堆阴极气体（冷却气体）外进气，由进气盒提供进气，风量为500 L/min。电池稳定运行5 min后记录数据。

表3为各种疏水MEA的编号。为排除电池所在电堆位置不同而产生的性能差异，将不同疏水程度的MEA在电池中循环摆放。

图7为测试风冷电堆的性能曲线，我们从电堆的性能曲线图中可得，电堆的最大功率密度为342 mW/cm2，在电流密度为600 mA/cm2时，电堆的总电压为4.56 V，单片平均电压为0.456 V。在测试时，稳定运行电池5 min后记录所需数据，比较单电池的性能。

图7 电堆性能曲线

图8为测试电堆单片电压，从图中可以得出，第二片和第七片单电池在测试过程中的性能始终最佳。当电流密度为600 mA/cm2时，第二片和第七片电压分别为0.55 V和0.56 V，其GDL厚度为0.6 mm，GDL疏水程度为40%疏水。性能最差的两片为第四号和第十号单电池，在电流密度为600 mA/cm2时，第四片和第十片电压分别为0.44 V和0.46 V，其GDL疏水程度均为0%。即性能最好的MEA比性能最差的在电流密度为600 mA/cm2时的电压高0.12 V。从图中可以得出，在本实验中，相同材料的单电池的性能和其在电堆中所处位置关系不大。从图8中还可以看出，当测试所给风量一定的情况下，GDL的疏水程度对电池性能的影响在高电流密度下要比低电流密度明显。

图8 电池单片电压

由测试数据可以得出，在测试条件一定时，电池的性能随GDL的疏水程度的变化而变化。

图9为GDL的疏水程度与电池性能的关系。由图可知，随着GDL疏水程度的升高，单电池的性能逐渐升高。当GDL疏水程度为40%时，电池性能最佳。

图9 疏水度与电池性能之间的关系

3 结论

优化燃料电池的MEA材料可以提高电池的性能，对于风冷燃料电池电堆，电池的性能随着GDL厚度的增加而增加，增加到最大值0.6 mm时随着GDL的厚度增加而减小；对GDL的疏水处理不仅可以在常规电池中有利于电池的排水，还可以提高未加湿风冷电堆的性能。GDL疏水程度为40%时，电池的性能发挥至最大值。

[1]王二东.小型自增湿自呼吸质子交换膜燃料电池及氢源的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文,2008.

[2]PAGANIN V A,TICIANELLI E A,GONZALEZ E R.Development and electrochemical studies of gas diffusion electrodes for polyme electrolyte fuel cells[J].Journal Applied Electrochemistry,1996,26(3):297-304.

[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.

[4]LIU C H,KO T H,LIAO Y K.Effect of carbon black concentration in carbon fiber paper on the performance of low-temperature proton exchange membrane fuel cells[J].Journal of Power Sources,2008,178(1):80-85.