5kW级质子交换膜燃料电池电堆的制备及实验研究

倪蕾蕾

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海 200070）

0 引言

氢能由于其可持续循环利用、清洁、高效、环境友好已经被认为是21世纪人类最理想的终极绿色能源解决方案。燃料电池是一种以氢为最佳燃料，不经过燃烧而直接以电化学反应的方式将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高效能量转换发电装置。在众多燃料电池技术中，质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电，质子交换膜燃料电池系统具有功率密度高、能量转化效率高、启动迅速、零排放等优点，因此特别适用于作为发电设备和电动汽车的动力源。质子交换膜燃料电池电堆是燃料电池系统的核心部件，是燃料电池的电能来源，其价格占据燃料电池系统成本的50%，未来行业的发展趋势必然倾向于本土电堆。目前，按照系统的用途来分，电堆的功率通常有以下几种：①100W以下的电堆用于便携电源[1]；②1kW至10kW的电堆用于民用发电系统[2-6]；③几十千瓦至上百千瓦的电堆用于汽车动力[7]；④几百千瓦的电堆用于发电站[8]。

质子交换膜燃料电池电堆，由膜电极和双极板的重复单元、两侧的流场单极板、两侧的集电板和两侧的端板组成。其中，膜电极组件（MEA）是质子交换膜燃料电池电化学反应的核心部件，对燃料电池的性能和寿命有重要影响，主要由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成；双极板主要起到输送和分配燃料、在电堆中隔离阴阳极气体的作用，包括氢气流场、冷却水流场和空气流场，冷却水作为电堆中的冷却单元，用以排出电堆内部的热量；同时，在双极板和膜电极之间、膜电极和流场单极板之间有密封结构；上述部件在螺栓的预紧力作用下构成电堆。

在本文中，首先基于电堆额定功率需求设计、制备并测试了活性面积为25cm2膜电极三合一组件（MEA）小单电池；其次根据小单电池的测试结果，计算并设计5kW级电堆，包括双级板、MEA和电堆结构；再次，组装并测试了6片MEA的短电堆性能；根据短电堆的测试数据，优化并最终装配了5kW级电堆并进行了测试分析。

1 小单电池的制备和性能测试

为了保证质子交换膜燃料电池的发电性能，本文采用以质子交换膜作为催化剂层支撑体的MEA的制备模式。首先通过制备活性面积为25cm2的膜电极三合一组件（MEA）确认电极本体的功率密度，具体工艺步骤如下。

1.1 涂敷催化剂的膜（CCM）的制备

由于Nafion膜具有强烈的收缩性，因此，制备CCM时要保证活性面积四周的膜的平整以及催化剂浆料具有较快的挥发性。通过将一定量的Pt/C催化剂、分散剂以及Nafion溶液混合均匀后，制备成催化剂浆料，将催化剂浆料通过超声喷涂设备直接涂覆在质子交换膜的两侧上，得到CCM电极。

1.2 气体扩散层（GDL）的制备

首先，将碳纸在一定浓度的PTFE乳液中浸泡，取出后悬挂阴干，之后放在高温炉中进一步烧结。再次，将含有PTFE乳液和碳粉的浆料涂敷在经过烧结的碳纸上。最后，将涂有碳粉浆料层的碳纸放在高温炉中再次烧结形成由碳纸和微孔层组成的GDL。

1.3 MEA的热压

MEA的热压是通过燃料电池专用热压机，将涂覆有催化剂层的质子交换膜（CCM）置于两片经过处理的GDL之间粘合成为一个整体，制备得到MEA。MEA的活性面积为25cm2，其中，热压条件为：温度160℃，压力为0.7Mpa，时间为300s。

1.4 小单电池的性能

小单电池由活性面积为25cm2MEA、密封垫片、流场板、集电板、端板组成，为避免质子交换膜和气体扩散层的交界处由于应力而破坏MEA，采用聚酰亚胺胶带对质子交换膜和气体扩散层的交界处进行封边保护。采用石墨流场板，流场为单通道蛇形，密封垫材料为PTFE薄膜。当单电池各部件按照顺序排好后，通过螺杆给端板施加一定的压力，将单电池各部件紧密的组装在一起。

通过日本CHINO公司的FC5100单电池测试评价装置对小单电池进行三步法活化[9]和性能测试。图1是小单电池的电流-电压和电流-功率曲线图，由图1所示，当单电池运行在1200mA/cm2时，功率密度达到最大值0.57W/cm2；当电池运行在400mA/cm2时，其功率密度为0.293W/cm2；当电池运行在600mA/cm2时，其功率密度为0.408W/cm2。

图1 小单电池性能曲线

2 5kW级电堆的设计

基于图1的小单电池性能，在电堆设计时，选取500mA/cm2作为电堆活性面积设计时的电流密度，由图1的数据可以估算出在此电流密度下，电堆中单电池功率密度为0.350W/cm2。对于额定功率为5kW的电堆，考虑到小MEA放大到电堆MEA性能上的损失并结合电堆流场的尺寸设计，设计由50片MEA组成，双极板采用石墨材料。

3 5kW级质子交换膜燃料电池电堆的性能评价

在自制的5至10KW级燃料电池评价装置上对电堆的性能评价，采用日本菊水公司的1台PLZ1004W（最大功率1kW）和3台PLZ2004WB（每台最大功率2kW）组合成最大功率7kW的电子负载。

3.1 短电堆的实验研究

在小单电池试验完成后，为了评价电堆MEA的制备工艺、双极板的流场设计以及电堆密封结构设计，需要先通过组装短堆进行功能验证。本文首先装配了含有6片MEA的短电堆，对装配完成的短堆进行活化与测试，图2为短电堆的性能曲线图。

图2 短电堆性能曲线

由图2可知，当短电堆的工作电流为360A时，其功率为1037W。当短电堆的工作电流为120A时，其功率为520W。当短电堆的工作电流为180A时，其功率为726W。此外，基于图2的数据，进一步可以预估出当电流为160A时时，电堆中每片MEA 的平均功率为109.60W，若采用50片MEA组成电堆，此时的电堆功率会达到5460W。

3.2 5kW级电堆的实验研究

基于短电堆的测试结果，装配了具有50片MEA的5kW级质子交换膜燃料电池电堆。对装配完成的电堆进行活化与测试，通过精确控制气体流量、压力和温湿度，探索电堆性能。图4为5kW级质子交换膜燃料电池的性能曲线图。当电堆的工作电流为200A时，其功率为 6770W。由于在测试中所用电子负载的最大功率为7kW，因此，电堆性能测试时的最大电流只能设置到200A。当电堆的工作电流为100A时，其功率为3789W。当电堆的工作电流为150A时，其功率为5400W。

图4 5kW级质子交换膜燃料电池电堆性能曲线

图5为当电堆输出功率为5400W时，电堆中各MEA电压的实测值。其中，1号MEA位于图3的电堆外观图的最左侧，50号MEA位于图3的电堆外观图的最右侧。由图5可见，当电堆工作电流150A时，MEA的最高电压为0.731V，最低电压为0.712V，即最高电压与最低电压之间的差值为19mV，50片MEA的电压差异比较均匀。电堆电压的均匀性说明了MEA的制备的均匀性以及电堆的流场设计能够较均匀地将气体分配每个电池。

图5 电堆中各单电池电压

4 结论

本文首先研究了以质子交换膜作为催化剂层支撑体的MEA制备工艺，对于活性面积为25cm2的MEA，当电池运行在400mA/cm2时，其功率密度为0.293W/cm2；当电池运行在600mA/cm2时，其功率密度为0.408W/cm2。基于25cm2的MEA的实验数据，设计了5kW电堆的MEA和双极板，在此基础上装配了含6片MEA的短电堆并进行了测试。最后，装配了具有50片MEA的5kW级质子交换膜燃料电池电堆，当电堆工作在150A时，其功率为5400W，当电堆工作在200A时，其功率为6770W；此外，电堆中MEA的最高电压与最低电压之间的差值为19mV，这说明50片MEA的电压差异比较均匀。