钟振忠

（浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院，浙江温州325003）

燃料电池测量技术研究

钟振忠

（浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院，浙江温州325003）

以质子交换膜燃料电池为研究基础，了解各种操作参数对电池性能之影响。先使用Nafion膜热压制成膜电极组，接着设计并加工石墨流场板，再对单电池组装，完成后进行不同电池温度、进气湿度、电池背压对电池性能量测与分析。实验结果表明，燃料电池在低操作温度下可快速启动并迅速达到稳定的输出电压；当电池操作在高温时，水份极不易留存于MEA中，此时流场加背压能让水份强迫式地存在于MEA，相对湿度随之增加，使MEA湿润度得以适当的维持。

质子交换膜燃料电池；膜电极组；石墨流场板；背压

0 前言

人类利用能源来驱动机械，同时各种能源也形成大量的生产、消费及排废等“垃圾”，这些“垃圾”使得自然生态环境不断遭受到破坏，并危及人类世代永续发展。欲解决以上面临的问题，开发高效率、低污染的新能源就是件刻不容缓的事情。现在，燃料电池技术正在诸多能源替代技术中脱颖而出，并成为全球嘱目之焦点，近年来燃料电池的发电技术经过不断的改进，商业化前景已指日可待。燃料电池是经由电化学反应直接将化学能转换为电能，其反应所产生的主要副产物为水，此兼具高效率及低污染的特性促使它成为未来最闪亮的新能源。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Mem⁃brane Fuel Cell，PEMFC)是由具渗透但绝缘的高分子薄膜所构成，膜的一侧供给氢气，另一侧供给氧气，氢原子含有一个质子及一个电子，质子被氧吸引到膜的另一边，以形成水分子，而电子仍流在原地，造成带正电的质子及带负电的电子各在膜的一侧，经由外接电路形成电流。

在低温操作的PEMFC中，阴极的电化学反应会产生水，此外，质子在高分子膜内传递也需要借助水，文献[1]利用三维数值模拟分析不同湿度条件对燃料电池性能的影响，结果谈到阳极与阴极的饱和液态水会影响电池质传现象和增加电解质薄膜的水含量，因此，过多的饱和液态水会增加燃料电池奥姆极化与浓度极化，严重影响燃料电池性能。

文献[2]阐述了几种制备质子交换膜燃料电池流场板的材料与加工方法，论文结果分析了其优劣，并且讨论了流场板可应用的材料。将阳极、质子交换膜、与阴极结合成三明治结构的单一组件称为膜电极组(Membrane Electrode Assembly，MEA)，膜电极组孔隙率对电池输出性能影响极为重要[3]。PEM⁃FC内部水对质子交换膜的温度分布亦具有极重要影响[4]。文献[5]基于自制PEMFC及相关设备，进行了不同负载条件的单电池电压分布状态和分析不同风扇系统的流速与功耗。

影响燃料电池性能的因素了解有流场板材料选择、流场几何设计、膜电极组制作技术与电池封装技术，因此针对燃料电池进行单体设计、加工与组装，对单电池进行性能测试，接着改变燃料电池负载，了解电池操作温度、进气湿度、电池背压及电池体特性对燃料电池性能的影响，进而作为设计燃料电池重要参考数据。

1 研究方法

1.1 质子交换膜燃料电池发电原理

燃料电池的发电原理是将电解水的化学反应式反向，阴极施以氧气，阳极施以氢气即可产生燃料电池的三大产物，水、直流电与热。

燃料电池是由阴、阳两个电极夹着一层极薄的质子高分子传导膜构成。高分子电解质薄膜主要作为离子在两电极之间传导通路，并且将氢气与氧气隔绝，PEMFC不用液态电解液，而是使用高分子质子交换膜，在质子交换膜的一侧供给氢气，另一侧供给氧气，当氢气穿越燃料电池的阳极并与质子交换膜及触媒进行电化学反应会分离为氢离子(H+)与电子(e-)，电子(e-)由导电体的阳极内部导至外电路形成电流，接负载后导至阴极。氢离子(H+)由阳极端透过可导离子性质(绝缘)之高分子质子交换膜抵达阴极。氧气输入阴极，氧分子经过质传抵达到阴极与催化剂及电解质之接口，与电子(e-)及氢离子(H+)起电化学反应而产生水及理论电位1.23V之电压。反应式如下：

阳极:H2→2H++2e-

阴极:O2+4H++4e-→2H2O全反应:2H2+O2→2H2O

1.2 膜电极组制作方法

膜电极组性能好坏关系整个电池效率，因此膜电极组的制程及研发与燃料电池的关系密不可分，PEMFC以质子交换膜为电解质，主要制造商为美国杜邦公司，商品名称为Nafion，膜编号117代表膜厚度为7 mil，质子当量重为1 100，然而为降低传输阻力故有生产更薄的膜，如Nafion112、105、1135等，但膜太薄易产生氢气渗漏和影响膜的强度。实验采用Nafion105的膜并自制热压组成MEA，制作流程如下：

(1)质导剂(Nafion)涂布

E-Tek电极(20%Pt/C，0.4 mg Pt/cm2，碳布基材)利用自组涂布系统将Nafion溶液(5wt%，IPA Based Aldrich)涂至E-Tek电极触媒层上，涂毕后烘干，冷却称重，可求得Nafion单位面积之填充量(mg Nafion/cm2)。

(2)MEA组成

取出已处理好的膜，擦拭干挣，将两片电极夹于膜的两侧，施以热压即成MEA。

1.3 单电池的组装与测试

PEMFC单电池是由铝合金或不锈钢材质的上下压板各一片、两片黄铜电流收集板、刻划有气体流道供给正负极燃料的石墨材质流场板各一片、MEA及用作绝缘与气密功能的铁氟龙垫圈堆迭组合而成。组装步骤如下：

(1)将一片压板插上定位螺栓，摆上切割成电流收集板形状的垫圈，目的是与压板绝缘；

(2)摆上电流收集板；

(3)定位组装刻有流道的石墨板，加工时必须将垫圈、电流收集板与石墨板外型尺寸轮廓都一致，组装起来才能达到紧密要求；

(4)迭上MEA，MEA上下都必须铺上垫圈，如此才可预防氢气与氧气于电池体内乱窜燃烧；

(5)迭上另一片刻有流道的石墨板；

(6)迭上电流收集板。

(7)迭上垫圈后再摆上最后一片压板。

(8)锁上螺栓完成电池组装。

组装完电池后要进行燃料漏气测试，以确保气密良好，避免气体乱窜燃烧池体。实验方式是：将燃料电池接上测试机台气体管路，无须给负载，对池体导入气体并施以背压，在气体进出口与池体四周喷洒测漏液，如有气泡产生即为有漏气现象，此时必须调整螺栓锁紧的扭力，调整方式为平均对每根螺栓施力，直到未有漏气现象为止。不可一昧加大扭力锁紧池体，否则会让垫圈过度变形甚至阻塞气体流道。

电池性能测试实验前，先进行活化处理，使电极表面活化，膜的含水量、湿润程度达到最佳条件；活化步骤是以化学剂量比1.5(氢气):2.0(氧气)燃料流量输入燃料电池，无背压，气体温度(TH2、TO2)须高于电池体温度(TC)，即:

TH2=TC+15℃

TO2=TC+5℃

为保持MEA湿润程度增进质子传导率，电池活化温度设定在50℃，放电模式为定电压0.5 V、3小时～8小时持续运转，观察电流密度上升情形慢慢将池体温度增加至80℃，接着定电压0.2 V，时间0.5小时，施以背压3 atm，观察电流密度变化情形，待电流密度稳定不再上升时即可进行性能测试。

2 结果与讨论

燃料电池性能无法从个别组件加乘获得，因为燃料电池性能损失除了组件本身造成之外，组件与组件间的接口通常也会造成相当程度的损失，因此全面性地检测组装好的燃料电池并且模拟在真实环境下运转是燃料电池检测的必要步骤。氢离子在质子交换膜中传导机制，质子在膜内传导时，膜体必须吸附水分子而呈现含水饱和状态。磺酸（亚硫酸）根离子固定不动地附着在主干上的侧链，氢离子则是能够在薄膜内自由移动。质子传递使得两极电化学反应顺利进行，而阳极端电化学反应所产生电子则经由外电路移动至阴极端，维持了电池回路，所以，质子传递快慢直接影响燃料电池的内电阻和输出功率。

文中将探讨不同的电池操作温度、燃料进气湿度与流场背压对电池性能的影响。

2.1 电池操作温度

图1为不同电池操作温度对电池性能的影响，当电压固定在0.8 V时可以观察到电池操作温度TC= 60℃时电流密度最高(60 mA/cm2)，接着性能由高至低依序为TC=50℃，电流密度58 mA/cm2；TC= 40℃，电流密度51 mA/cm2；TC=70℃，电流密度47 mA/cm2；TC=30℃，电流密度46 mA/cm2；TC= 80℃，电流密度34 mA/cm2。定电压0.6 V时，发现电池操作温度TC=50℃时电流密度最高(362 mA/ cm2)，当电池温度加热至TC=80℃时，电流密度最低(174 mA/cm2)。无论在导电或不导电的情况下，质子交换膜内的空孔都可以容纳大量的水分子，当膜内完全充满饱和水分子时体积可增加达22%，由于膜含水量与其导电率强烈关联，因此，要决定膜的导电率时必须先了解膜的含水量。由实验结果可知，当电池操作温度持续维持在50℃时能表现最佳性能，若电池操作温度超过50℃，电流密度开始下降，当电池操作温度在80℃时性能最差，由此可知MEA水湿润程度强烈影响燃料电池性能，电池操作温度太高会造成MEA反应水分子逐渐不足，MEA产生脱水现象，由实验数据了解电池操作温度70℃和80℃性能衰退甚巨。此时进气湿度已降低至RH=10%以下，因此燃料电池最佳操作温度为50℃。

图1 不同电池操作温度对电池性能的影响

电池操作温度30℃与70℃在定电压0.8 V时，70℃的性能优于30℃，此是因为池体内具有较高的电化学反应温度。而在定电压0.8 V以下时，却是30℃的性能优于70℃，原因在于进入池体内部的水分子，其量已小于离开电池的水分子，故电池内部的含水量随时间增加而减少，若此时电流密度大，则需要更多的水分子夹带质子通过，因此在定电压0.8 V以下时，池体内部无法供给反应所需的水分子，膜上脱水状况渐渐发生。

一般而言，4～5个水分子能带一个质子由阳极通过质子交换膜到达阴极，对质子交换膜而言，电池操作温度在50℃以下，随着温度上升，导电度会随之上升，但是，当电池操作温度在50℃以上时，随着温度上升，导电度反而有下降的趋势，因为此时随着温度的上升，提供MEA反应之水分子已渐渐不足，此为高温之下质传效应所致。

2.2 进气湿度

MEA湿润程度影响传导质子能力，因此测试将干燥的气体加湿成饱和气体再加热输入电池体内进行电化学反应。图2观察当电池操作温度30℃，定电压0.7 V，由结果发现，燃料温度30℃时，电流密度为193 mA/cm2，燃料温度50℃，电流密度为216 mA/cm2，燃料温度70℃，电流密度为230 mA/ cm2，燃料温度80℃，电流密度为246 mA/cm2，当电池在低温操作时，燃料加湿对电池性能并无显着影响。

由图3、图4、图5了解到膜的质子传导能力与膜的含水量密切相关，膜在饱和状态时具有较高的离子导电度，可以降低燃料电池奥姆极化。因此，为了确保PEMFC具有高输出功率，质子交换膜内必须保持高的含水量。此外，膜保持湿润状态则有助于电极与电解质之紧密的接触而容易形成三度空间的反应区，而促进电化学反应。即使电池处于高温的状态，但由于燃料有加湿，因此MEA持续保持湿润状态，但电池加热至80℃时，极化曲线震荡幅度大，表示燃料电池于高温输出性能时，电化学反应不是很稳定。因此燃料适当的加湿与加热给予MEA进行反应，对燃料电池性能具有正面的意义，在设计燃料电池系统时必须考虑是否加装加湿设备并做好水管理。

2.3 背压

增加背压可以增加水的分压而提高相对湿度，图6为流场背压对电池性能的影响，从图中可以了解当电池操作温度控制在30℃时，流场背压3 atm性能最佳，其次是背压2 atm与1 atm，因此可知流场加背压可提升燃料电池性能。

图7为电池操作温度50℃，同样具有相同物理现象。

图3 电池操作温度50℃，进气湿度对电池性能的影响

图4 电池操作温度70℃，进气湿度对电池性能的影响

图5电池操作温度80℃，进气湿度对电池性能的影响

图8 为电池操作温度80℃，此时电池于高温下进行反应，水分极不易留于膜内，因此气体在常压下反应，水回扩散不足，膜将失水变干，于高电流密度时质子交换膜又会被所需之大量气体吹干而造成电池的内电阻大幅度上升。当有背压时，水分子被强迫留于MEA中，促使电池内部水蒸气提升，相对湿度因此增加，使MEA得以维持湿润程度。对于质子交换膜燃料电池而言，95%的相对湿度为相当适宜的操作条件，基本上，只要空气的相对湿度保持在90%，即便是在80℃的高温下操作，也不必担心膜会有干裂的问题。

图6 电池操作温度30℃，背压对电池性能的影响

图7 电池操作温度50℃，背压对电池性能的影响

3 结论

PEMFC以质导度佳的固态高分子膜为电解质。PEMFC内唯一的液体为水，因此，腐蚀的问题较低，然而水管理则是影响燃料电池效率的重要因素之一，基本上，PEMFC必须在水的产生速率高于其蒸发速率状况下操作，以使薄膜保持充分含水状态，由于水平衡的因素，燃料电池之操作温度必须限制在100℃以下。基于燃料电池量测技术结果可归纳：

燃料电池燃料为常温常压下饱和气体时，电池操作温度控制在50℃展现出最佳性能。

若电池操作温度低于50℃，加湿的燃料对电池性能并没有很大的影响，但电池操作温度高于50℃时，进气燃料加湿将有助于提升电池性能。

在固定电池操作温度的条件下，增加电池流道上燃料的背压有助于性能之提升，其效果比燃料加湿更显着，当电池操作温度在50℃以上时，流场背压3 atm能有效维持MEA湿润度，使电池维持稳定性能。

图8 电池操作温度80℃，背压对电池性能的影响

当电池操作温度位于(50～70)℃时，具有稳定性能输出。

由实验结果发现电池加背压、电池体加热或燃料加湿皆可提高燃料电池电流密度，而以背压影响电池性能最明显。

[1]Matamoros L,Bruggemann D.Numerical Study on PEMFC’s Geometrical Parameters Under Different Humidifying Conditions[J]. Journal of Power Sources,2007,172(2)：253-264.

[2]林政宇,张杰,刘兵,等.PEMFC双极板的材料及制备工艺综述[J].电源技术,2012,36(1):136-145.

[3]简弃非,李云鹏.四流道蛇行流场孔隙率对PEMFC性能的影响[J].电源技术,2012,36(4):495-514.

[4]简弃非,王巧丽,李云鹏.反应气体加湿对PEMFC膜温度的影响[J].电源技术,2012,36(5):658-660.

[5]朱星光,陈唐龙,韩明.单体PEMFC电压分布与风扇流速功耗平衡分析[J].电池,2012,42(6):306-309.

（责任编辑：韩少忠）

Investigation on Fuel Cell Measurement Technology

ZHONG Zhen-zhong
（Automotive and Mechanical Engineering College of Zhengjiang Industry&Trade Vocational College, Wenzhou,Zhejiang,325003,China）

The article discussed fuel cell design assembly and pointed at single cell experimental measurement and analysis,thus to understand various operating parameters which affect the performance of fuel cell.PEMFC was assembled in graphite plate,electricity collecting plate and MEA.In this study,the research first designed the flow channels of graphite plate which provided hydrogen and oxygen flowing,and then to assemble single cell and to track down a leak.Measuring and analyzing cell operated parameters which included temperature,inlet gas humility and back pressure.The results showed that PEMFC can start rapidly and reach stable output voltage under low temperature.When the cell is in high temperature,water was not easily to preserve in MEA and flow field,in the meantime,can make water force preserved in MEA by back pressure with relative humidity raising and moist keeping properly.

PEMFC;MEA;graphite flow field plate;back pressure

TM 911.48

A

1672-0105（2014）01-0031-05

10.3969/j.issn.1672-0105.2014.01.007

2013-12-15

钟振忠（1978—），男，台湾高雄人，讲师，博士研究生，主要研究方向：机械工程、热流工程、氢能、生质能。