不锈钢纤维毡流场PEMFC的性能实验研究

卢广轩，葛 鹏，高建平，张 欢

(西部金属材料股份有限公司，陕西西安 710201)

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)的商业化目前仍然受其性能、成本和寿命的制约，提高PEMFC 的功率密度是解决这些问题的关键[1]。除了改进膜电极和优化运行条件外，还可以通过优化双极板的流场结构，提升其传质效果，以改善反应气体在电池内部分布的均匀性，从而进一步提高PEMFC 的功率密度[2]。

传统的双极板流场有平行直流场、蛇形流场和交指形流场等，其中多蛇形流场是目前车用燃料电池应用最多的流场[3]。然而传统流场加工成本高，且流场中的沟脊结构不利于反应气体的均匀分布，流场内传质、传热与导电也未形成良好的匹配。因此，有必要开发新的流场结构来解决此类问题。

金属泡沫、金属纤维毡等多孔材料具有独特的三维立体结构，作为PEMFC 的流场可以提高反应气体和液态水分布的均匀性，改善传质效果，被视为一种极具发展潜力的流场形式，近年来受到越来越多的关注[3-4]。Park 等[5]研究了泡沫铜流场的孔径、孔隙率、厚度对燃料电池性能的影响，优化后的泡沫铜流场PEMFC 在电压0.6 V 时的电流密度达到了2.0 A/cm2，比传统流场高很多。Xie 等[6]将泡沫流场PEMFC 与平行直流场PEMFC 进行了对比研究，发现相同条件下前者的性能比后者高3 倍。Awin 等[7]将泡沫铝流场与石墨蛇形流场进行了对比，发现泡沫铝流场PEMFC 的输出电压、电流和功率密度都得到了改善，膜电极的温度和压力分布也更均匀。Tang 等[8]从铜纤维烧结毡制备、形貌表征、疏水性测试、耐蚀性测试、电阻测试和极化曲线测试等方面对铜纤维毡流场PEMFC 进行了系统的研究，认为铜纤维毡作为燃料电池流场具有很大的应用潜力。此外，还有学者使用数值模拟方法研究了多孔流场中的传热传质现象[9-10]。以上研究工作都表明金属泡沫、金属纤维毡等金属多孔材料的优势是显著的。但是，目前此类流场的开发还处于初步探索阶段，相关研究工作比较少，而且主要集中于金属泡沫流场，对于金属纤维毡流场的研究寥寥无几。

本文的主要工作是研究不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能。首先制备了以不锈钢纤维毡为流场的PEMFC 单电池，为了进一步提高其性能，对纤维毡进行了镀金处理，然后将蛇形流场、不锈钢纤维毡流场、镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能进行了对比，验证不锈钢纤维毡作为PEMFC 极板材料的可行性。最后又研究了工作温度、工作压力、反应气体相对湿度对镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 性能的影响。

1 实验

1.1 不锈钢纤维毡流场PEMFC

不锈钢纤维毡流场PEMFC 由膜电极(包括质子交换膜和催化层)、气体扩散层、不锈钢纤维毡、石墨极板等组成。本实验所使用的不锈钢纤维毡厚度为0.5 mm，纤维毡的平均孔径86 μm，孔隙率86%。膜电极中的质子交换膜为GORESELECT(美国Gore 公司产品)，催化剂为JM 60%(质量分数)铂碳催化剂(英国Johnson Matthey 产品)，阴、阳极铂载量分别为0.48 和0.24 mg/cm2，气体扩散层为碳纸TGP-H-060(日本东丽公司产品)。石墨极板带有50 mm×50 mm×0.5 mm 的凹槽，不锈钢纤维毡置于凹槽中作为燃料电池的流场，如图1(a)所示。此外，本文还测试了蛇形流场PEMFC 的性能作为对比，蛇形流场的石墨极板如图1(b)所示。

图1 不锈钢纤维毡和蛇形流场石墨极板

1.2 实验方法

实验采用宁波拜特新能源技术有限公司开发的燃料电池测试系统测量PEMFC 的极化曲线和功率密度曲线。测试前首先检查电池本体和测试装置是否漏气。每次测试前先使用氮气对气体路径进行吹扫，吹扫气体的流量为0.5 L/min，吹扫时间10 min。首先对蛇形流场、不锈钢纤维毡流场、镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 进行了性能测试。测试条件为电池工作温度343.15 K，阴、阳极反应气体相对湿度均为100%，工作压力100 kPa，阴、阳极化学计量比均为2。然后，保持其他条件不变，分别改变电池工作温度、工作压力、反应气体相对湿度，测试蛇形流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 在不同工作条件下的性能。

使用循环伏安法分别测定了蛇形流场、不锈钢纤维毡流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 膜电极的电化学活性面积，以确保三者膜电极性能相同。测试时使用CHI660E 电化学工作站，PEMFC 阳极通入完全湿润的氢气，流量为0.5 L/min，阴极通入完全湿润的氮气，流量为1.0 L/min。电位扫描范围为0.01～1.2 V，扫描速率为10 mV/s。

采用宁波瑞品仪器有限公司生产的接触电阻仪测量了不锈钢纤维毡镀金前后与碳纸间的接触电阻，压力范围为50～300 N/cm2。

2 结果和讨论

2.1 不同流场PEMFC 性能对比

图2为蛇形流场、不锈钢纤维毡流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能曲线，其中图(a)为电流密度-电压曲线，图(b)为电流密度-功率密度曲线。从图2 可以看出，即使是未作表面处理的不锈钢纤维毡，其性能也要优于传统的蛇形流场，而镀金后不锈钢纤维毡流场的性能得到明显提高。镀金前后，PEMFC 在输出电压0.6 V 时的电流密度由0.8 A/cm2提高到2.0 A/cm2，提高了150%，最大功率密度由0.6 W/cm2提高到1.2 W/cm2，提高了100%。图3为蛇形流场、不锈钢纤维毡流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 膜电极的循环伏安曲线。从图中可以看出，三者的电化学活性面积基本一致。因此，三种PEMFC 输出性能的不同是流场导致的。图4 为不锈钢纤维毡镀金前后与气体扩散层的接触电阻随压力的变化曲线。可以看到，镀金后不锈钢纤维毡的接触电阻显著降低。通常PEMFC 电堆的装配压力约为150 N/cm2，在此压力下，镀金不锈钢纤维毡的接触电阻由153.5 mΩ·cm2降低到1.4 mΩ·cm2。以上实验结果表明，相比于传统流场，不锈钢纤维毡作为PEMFC 流场具有显著优势。但是，与传统流场金属双极板一样，在PEMFC 工作环境下不锈钢纤维毡也面临腐蚀问题，而且其自身比表面积比较大，更容易生成不均匀的钝化膜，增加了内部电阻以及与气体扩散层、石墨极板间的接触电阻，使PEMFC 的欧姆损失增大。生成的钝化膜甚至有可能堵塞孔隙，影响反应气体传质和排水，增加了PEMFC 的浓差损失。因此，未作表面处理的不锈钢纤维毡流场性能较差，而镀金后不锈钢纤维毡的导电性和耐蚀性都会提高，从而使PEMFC 的性能得到明显改善。金属纤维毡流场在将来要获得实际应用，低成本的表面处理方法是需要解决的关键问题。

图2 不同流场的电池极化曲线和功率密度曲线

图3 三种流场PEMFC膜电极的循环伏安曲线

图4 不锈钢纤维毡镀金前后与气体扩散层的接触电阻随压力的变化曲线

2.2 工作温度的影响

不同工作温度下蛇形流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能如图5 所示。从图中可以看出，温度对PEMFC 性能的影响较为显著。在工作温度低于343.15 K 时，镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的输出性能随温度的增加而升高。温度提高到353.15 K 时，燃料电池的输出性能有所下降。蛇形流场PEMFC 的输出性能随温度的变化与之类似。从热力学的角度讲，燃料电池的可逆电压一般随温度的升高而降低。而从反应动力学的角度讲，随着温度升高，催化剂的活性提高，反应气体的扩散速度增大，电化学反应的速率也随之增大。此外，温度升高也提高了膜的质子传导率，同时有利于避免水淹的发生。因此，在一定的温度范围内，温度的升高可以提高PEMFC 的输出性能。但是温度过高时，质子交换膜的含水量会下降，造成质子传导率降低，膜的机械性能也变差，容易造成膜损伤，这些因素都对燃料电池输出性能产生不利影响。燃料电池工作温度的确定需要综合考虑各部件的特性和其他工作条件。

图5 工作温度对电池性能的影响

2.3 工作压力的影响

PEMFC 的工作压力也是影响其性能的重要因素。不同工作压力下蛇形流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能如图6 所示。从图中可以看出，PEMFC 输出性能随工作压力的升高而增大。尤其是在高电流密度情况下，工作压力的提高对PEMFC 性能的提升更为显著。当工作压力由60 kPa提高到160 kPa 时，镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 在电压0.6 V 时的输出电流密度由1.6 A/cm2提高到2.5 A/cm2，提高了56%，最大输出功率密度由1.0 W/cm2提高到1.5 W/cm2，提高了50%。首先，工作压力增大有利于热力学可逆电压的提高。而且，工作压力直接决定了反应气体的浓度水平，从而影响了气体的扩散速率和电化学反应速率，有利于PEMFC性能的提高。但是，在燃料电池实际应用中，工作压力的升高也伴随着空气泵消耗功率的增加，不利于燃料电池实际输出功率的提高。燃料电池的工作压力要根据燃料电池系统的具体情况来确定。

图6 工作压力对电池性能的影响

2.4 相对湿度的影响

PEMFC 中质子交换膜的质子传导率与其含水量密切相关，而后者又受反应气体的相对湿度影响。不同进气相对湿度条件下蛇形流场和镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的输出性能如图7 所示。从图中可以看出，当反应气体相对湿度为85%时，蛇形流场PEMFC 的输出性能最好，尤其是在高电流密度下。而进气相对湿度为100%时，镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的输出性能达到最高，当相对湿度不是100%时，燃料电池的性能会降低。但进气相对湿度为55%、65%和85%时，PEMFC 的输出性能基本一致。进气相对湿度影响反应气体浓度，进气湿度越低，反应气体浓度越高，反应速率也越快。进气相对湿度也会对阴、阳极的水平衡造成影响，导致膜中含水量和质子传导率的变化，同时也会影响电极的水淹程度。在这些因素的综合影响下，本实验中镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的反应气体最佳相对湿度为100%。

图7 相对湿度对电池性能的影响

3 结论

本文通过实验研究了不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能，验证了不锈钢纤维毡作为流场的可行性，得到如下结论：

(1)与传统流场相比，不锈钢纤维毡作为PEMFC 流场具有显著优势。未经表面处理的不锈钢纤维毡流场，其性能已超过传统蛇形流场，而不锈钢纤维毡镀金后，性能得到明显提升，电压0.6 V 时的输出电流密度可以达到2.0 A/cm2。金属纤维毡流场将来要得到实际应用，低成本的表面处理方法是需要解决的关键问题。

(2)工作温度和工作压力对镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能影响较大。在温度低于343.15 K 时，镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能随温度升高而增大。镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的性能也随压力的升高而增大。反应气体相对湿度为100%时，镀金不锈钢纤维毡流场PEMFC 的输出性能最高，而相对湿度为55%、65%和85%时，其输出性能基本一致。