阴极疏水微槽流场板对DMFC的性能影响研究

2023-02-17梁穆熙张旭焱吴超群

电源技术 2023年1期

梁穆熙，李添，张旭焱，吴超群

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

为解决能源短缺的重大问题，新能源技术逐渐成为研究者们关注的重点，其中燃料电池以其燃料来源广、充电方便、体积小、无噪声污染、绿色环保等优点被认为是一种理想的能源装置，是新能源技术的首选[1-2]。但燃料渗透、阴极水淹等问题仍然制约着燃料电池的发展与推广[3-5]。

燃料电池的关键部位如流场板对电池性能、运行效率有很大的影响，改变流场板的结构一直是提高电池使用性能的主要手段之一。文献[6]在铝合金和黄铜表面加工出来的多尺度微观结构静态接触角分别达到了162°和172°。文献[7]设计的正弦形微槽结构和矩阵形微槽结构的最大接触角可达到152.1°与149.1°。文献[8]通过在μ-DMFC 的MEA 膜与阳极集电器之间添加一种不锈钢网，使电池的最大功率密度达到了54.4 mW/cm2。文献[9]用三维石墨烯制备的骨架代替传统炭黑构建的阴极多孔层，使电池的整体性能提高了43%。文献[10]设计了一种多孔金属纤维毡，并对其疏水性进行了处理，当甲醇浓度为5 mol/L 时电池的最大功率密度可以提高大约50%。

不同微槽结构的流场板疏水性能不同，其对DMFC 性能的影响也有所不同。本文设计了具有疏水微槽结构的阴极流场板，并对该微槽结构流场板的表面疏水性进行了研究，同时搭建了电池性能测试平台，研究了该微槽流场板对DMFC 性能的影响，并进一步分析了该微槽结构的几何参数对DMFC 极化放电特性的影响，这对于提高电池性能具有重要的指导意义。

1 实验

1.1 流场板表面疏水结构设计与疏水性研究

如图1(a)所示，传统的DMFC 流场板阴极和阳极表面都是光滑平整的。本文为研究阴极流场板表面疏水结构对DMFC 性能的影响，对经典疏水性模型进行分析，采用电火花数控线切割机床对流场板进行加工，由于DMFC 中存在电化学腐蚀现象，所以选择不锈钢316 L 作为金属流场板的材料。通过高速快走丝电火花线切割加工所得的微槽结构如图1(b)所示。

图1 传统流场板(a)与微槽流场板(b)

图2 为加工示意图，图中：S为切槽间距；W为切槽宽度；R为底端的圆角半径；D为切槽深度；L为切槽长度。

图2 加工示意图

由于电火花数控线切割机采用的切割丝多数情况下为钼丝，会使切割凹槽底部出现圆角，导致材料表面粗糙度与理想化的Wenzel 模型和Cassie-Baxter 模型出现偏差，因此对两种疏水性模型进行了进一步优化。

假设液体在微槽结构表面的接触状态为Wenzel 模型，其微槽结构表面粗糙度因子r为：

根据不锈钢316 L 与空气、液态水之间的界面张力计算可知，不锈钢316 L 的本征接触角小于90°，因此采用Wenzel模型计算，无法实现流场板表面微结构的疏水性。

采用Cassie-Baxter 模型进行分析，其微槽结构的表面积系数fs为：

根据公式(4)的计算，使用Cassie-Baxter 模型可以实现疏水性能。选取切槽间距S为200 μm，计算得切槽宽度W的值应该大于170 μm。考虑到加工过程中存在放电腐蚀等现象，选取切槽宽度分别为300、400 和500 μm。根据公式(3)计算，选取切槽深度分别为200、400 和600 μm。本文使用的阴极与阳极流场板整体结构尺寸为66 mm×50 mm×3 mm，在金属流场板的外侧，开了8 个直径为6 mm 的通孔用于螺栓的固定，同时在阴极与阳极流场板的中心均匀分布了25 个直径为3 mm 的阵列孔，用于电化学反应物与产物均匀分布的流动通道，整个中心区域的有效开孔率为36.5%。通过正交实验法设计出实验所需要的微槽结构几何尺寸，使用接触角测量仪对流场板表面微槽结构进行水滴静态接触角的测量，其设计尺寸与测量结果如表1 所示。

根据表1 中的结果所示，除3#流场板以外，其他8 个流场板在垂直微槽方向与平行微槽方向角度均大于90°，表现出疏水性。与未加工微槽表面测得的接触角79.84°相比，提高了33.5°～68.4°。在微槽结构上，平行微槽方向的接触角均大于垂直微槽方向的接触角。

表1 微槽结构表面结构尺寸及接触角测量结果

1.2 超声雾化供给DMFC 结构与测试平台

如图3(a)所示，超声雾化供给DMFC 的电池性能测试平台主要由燃料供给系统、电池性能测试系统、超声驱动系统以及燃料电池四个部分组成。燃料电池供给系统由恒温水浴池和蠕动泵组成，用于将给定浓度与温度的甲醇溶液均匀供给至DMFC 底部雾化器的燃料腔中；超声驱动系统主要由个人PC 和驱动电路板组成，用于实现甲醇燃料的雾化供给；电池性能测试系统主要由个人PC 和电子负载组成，用于实时记录电池性能曲线并将数据保存至个人PC。本实验始终在室温下运行，温度25°。测试时甲醇和空气在反应区的计量比为2∶3。空气通过自吸进入阴极流场。

超声雾化供给DMFC 的结构主要由发电部分、雾化腔部分以及超声雾化三个部分组成，如图3(b)所示。超声雾化部分主要由燃料腔、棉芯和雾化片组成。燃料腔用于储存一定量的甲醇溶液。棉芯的一段插入燃料腔中，另一端与雾化片的锥孔区域相接触。超声雾化部分的工作原理如下：首先使用蠕动泵将甲醇溶液泵入燃料腔中进行储存，其次依靠棉芯上的毛细作用，将甲醇溶液从燃料腔内吸附至雾化片锥孔区域的底部，最后通过雾化片上压电陶瓷产生的高频振动，将雾化片背面的甲醇溶液从锥孔区域里挤出去，形成具有一定初速度的甲醇喷雾。雾化腔部分则使用硅胶固定在发电部分和超声雾化部分的中心，保证雾滴能最大限度地均匀到达电池阳极腔。发电部分可以单独作为一个功能完善的液态供给DMFC 来使用。

图3 超声雾化实验平台(a)和超声雾化供给DMFC(b)

2 结果与讨论

2.1 微槽流场板对DMFC 性能的影响

本实验通过在阴极分别装配微槽流场板与传统流场板进行对比，研究微槽结构对DMFC 性能的影响，其中微槽流场板的切槽宽度与切槽深度分别为400 与600 μm。

由图4 和表2 可知，随着甲醇浓度的增加，装配有微槽流场板的电池逐渐表现出更加优秀的电池性能。当甲醇浓度为2 mol/L 时，装有微槽流场板的电池极限电流密度值与极限功率密度值分别下降了4.553%与1.155%；当甲醇浓度为4 mol/L 时，装有微槽流场板的电池极限电流密度值达到了81.033 mA/cm2，提升了18.993%，极限功率密度值略有下降；当甲醇浓度为8 mol/L 时，装有微槽流场板的电池相比传统流场板的电池，极限电流密度值提升了6.894%，极限功率密度值提升了14.747%。当甲醇浓度为2 mol/L 时，影响电池极化放电性能的主要因素为阳极侧的甲醇浓度是否充足，由于微槽流场板的结构促进了阴极水通过膜电极扩散到阳极侧进行回流，使阳极甲醇浓度降低，导致电池的性能降低。当甲醇浓度处于4 和8 mol/L 时，影响电池性能的主要因素为阳极甲醇渗透的程度以及电化学反应物、产物传质通道是否畅通。微槽流场板表面的疏水结构有助于阴极水向阳极回流，降低了阳极的甲醇浓度，进而缓解了甲醇渗透程度，提高了电池性能。同时微槽流场板具有保留水的能力，缓解了阴极水淹。

图4 不同流场板结构下电池的极化放电特性曲线

表2 不同流场板结构下电池的极化放电性能参数

2.2 切槽宽度对DMFC 极化放电特性的影响

2、4 和8 mol/L 供给甲醇溶液，切槽深度600 μm 条件下，DMFC 在不同切槽宽度条件下(500、400、300 μm)阴极流场板时的极化放电特性曲线如图5 所示。

图5 切槽宽度对电池极化放电特性的影响

表3 记录了装配不同切槽宽度微槽流场板时电池的性能。当浓度为2 mol/L 时，三种流场板的电池极限电流密度几乎相同，这主要是因为此时影响极限电流密度的因素为甲醇浓度是否充足。当甲醇浓度为4 和8 mol/L 时，甲醇供给充足，装配4#流场板电池的性能最佳，这主要是由于4#流场板同时具有很高的表面疏水性以及较强的保留水的能力。与3#流场板相比，4#流场板的疏水性更强，因此它能够更好地促进阴极侧的水向阳极回流；与9#流场板相比，4#流场板的切槽宽度更大，微槽容纳水的能力更强，缓解电池阴极水淹。

表3 装配不同切槽宽度微槽流场板时电池的性能

2.3 切槽深度对DMFC 极化放电特性的影响

2、4 和8 mol/L 供给甲醇溶液，切槽宽度400 μm 条件下，DMFC 在不同切槽深度条件下(400、600、200 μm)阴极流场板时的极化放电特性曲线如图6 所示。

图6 切槽深度对电池极化放电特性的影响

表4 记录了装配不同切槽深度微槽流场板时电池的性能。当浓度为2 mol/L 时，装配有4#流场板的电池极化放电性能反而最差，这主要是由于低浓度下阳极催化层上甲醇浓度本身就不够充足，提高切槽深度会使阴极产生的水在微槽内聚集得更多，在重力的作用下，水向阳极回流的程度相对更大，电池阳极催化层内甲醇溶液被稀释，电池性能降低。当甲醇浓度为4 和8 mol/L 时，4#流场板的极限电流密度与极限功率密度明显超过2#与7#流场板，这主要是因为此时甲醇浓度充足，影响电池极化放电性能的主要因素是电化学反应物以及产物的传质通道是否畅通。随着切槽深度的增加，水填满单个微槽所需的时间也会增加，微槽流场板保留水的能力增强，缓解了电池阴极的水淹现象。同时，氧气可以从流场板侧面的微槽到达扩散层，为阴极氧气的传质提供了通道。