高功率薄型金属双极板PEM燃料电池堆研究

１．４。２短堆寿命测试 电池堆耐久性测试采用上海空间电源研究所自制燃料电
池测试台，如图３所示。测试装置主要包括供气和排气系统、 气体加湿系统、温控系统、水循环系统等。氢气、空气／氧气经 减压后进入膜增湿器，再进入电堆，产物水随着反应尾气排出 电堆后进人各自的水汽分离罐后排空，电堆温度通过循环水 进行控制。
电池堆耐久性测试以８ ｈ／ｄ累计进行，测试条件列于表 ２。使用Ｆｌｕｋｅ ２６８６Ａ数字采集系统进行电池堆及单池电压测 量，记录；定时人工记录反应气体及冷却循环水温度变化情 况。
２结果与讨论
２．１反应气体操作压力对电池堆性能影响 图４所示为反应气体操作压力条件（阳极侧与阴极侧压
力相同）对电池堆Ｖ－Ｊ特性和功率特性曲线的影响关系。从图 ４中可看到，虽然空气压力条件对电池堆性能有较大的影响，
目前，ＰＥＭ燃料电池技术要实现成功的市场突破还面临 工程、制造和市场研究化进程中诸多技术挑战。面对更多的技 术需求、更高的可靠性和更低成本的市场需求，现有的ＰＥＭ． ＦＣ材料和设计尚需进一步改进㈣。
金属双极板是ＰＥＭ燃料电池关键功能部件，对电池堆质 量、体积、成本以及可靠性等方面影响占有很大权重。金属相 对石墨材料具有可靠性高，导电、导热性好，透气率低等优 势【ｌ＿２】。所以，采用金属双极板现已成为ＰＥＭ燃料电池技术的 一个重要的研究方向。如果采用较薄的金属箔带（厚度 ０．０５～０．１０ ｍｍ）通过滚压或冲压方式直接进行流场加工成 形，不但可弥补金属极板密度大的不足，而且还可适于批量生
收稿日期：２００９—０２—０２ 基金项目：上海市科委重大专Ｎ（０６ ｄｚ １ ２０２１） 作者简介：王东（１９７５一），男，贵州省人。博士。高级工程师，主 要研究方向为化学电源、氢能、燃料电池及水电解技术。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷＡＮＧ Ｄｏｎｇ（１ ９７５－－），ｍａｌｅ。Ｐｈ Ｄ，ｓｅｎｉｏｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒ．
参数 空气进口压力／ｋＰａ 空气出口压力／ｋＰａ 氢气进口压力／ｋＰａ 氢气出口压力／ｋＰａ
输出功率／ｋＷ 输出电流，Ａ 质量比功率／ｍ，·ｋｇ－１） 体积比功率／ｎｖ·Ｌ－１）
１１０ Ｏ
１１０ １０６ １６６ ２２０ ４７４ ６１９
１３０ １１３ １３０ １２８ １８ ５ ２５０ ５２９ ６９０
性能参数
１６０
２００
２５０
１．３电池堆装配 电池堆采用传统“压滤机”式装配结构。分别对１２６ｃｅｌｌ
和４ｃｅｌｌ两个电池堆（如图２所示）进行极化特性和耐久性测 试。表１列出了１２６ｃｅｌｌ电池堆的主要参数。
台进行。 测试过程中，通过测试系统计算机及测试软件设定所需
试验气体的压力、温度、湿度和流量。电池堆循环冷却剂为去 离子水，其人口温度、压力和流量等参数可设定，通过控制循
关键词：质子交换膜燃料电池；金属双极板；性能
中图分类号：ＴＭ ９１ １．４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２００９）０８－０６７９—０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ
ＷＡＮＧ Ｄｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ，ＬＩＵ Ｘｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ—ｒｏｎｇ （ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｐａｃｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３３，Ｃｈｉｎａ）
产，降低加工成本【３】。目前，金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆技术 在车用、军事等领域应用优势已逐渐成为共识。美国通用和日 本本田两大汽车公司已在金属双极板ＰＥＭ燃料电池研究中 取得了斐然成绩，获得了比传统石墨双极板电池堆更高的体 积和质量比功率，并已在其各自开发的燃料电池电动车上进 行了应用。
上海空间电源研究所在优选出无须任何表面处理的金属 双极板材料的基础上［５１，设计并加工了可直接冲压成型，适合批 量生产的薄型金属双极板，研制出高功率薄型金属双极板 ＰＥＭ燃料电池堆。本文对该新型薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电 池堆研究及性能测试结果进行介绍。
同压力条件下的最大测试电流和相应输出功率列于表３，进 而可以计算出电池堆比功率特性。当操作压力为３００ ｋＰａ，工 作电流３５０ Ａ（Ｉ．Ｉ Ａ／ｅｒａ２）时，电池堆输出功率达到２７．２ ｋｗ，质 量比功率和体积比功率分别为７７７ Ｗ／ｋｇ和ｌ ０１５ Ｗ／Ｌ。
表３反应气体压力对电池堆输出特性影响 Ｔａｂ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｔａｃｋ ｏｕｔｐｕｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
图１ 薄型金属双极板燃料电池单元电池结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｅｌｌ ｕｎｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｅｔａｌ
ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ
１。２膜电极组件制备
电池堆使用自制膜电极组件，电极活性面积３２０ ｃｒｎ２的 亲水膜电极，膜电极扩散层为Ｂａｌｌａｒｄ Ｐ５０Ｔ碳纸，阴、阳极Ｐｔ 催化剂（质量分数４０％Ｐｔ／Ｃ，Ｊ．Ｍ．）总担载量为Ｏ．６０ ｍｇ／ｃｍ２，质 子交换膜为Ｎａｔｉｏｎ ２１２（Ｄｕｐｏｎｔ）。
高功率薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆研究
王 东，王 涛，张 伟，刘 向，张新荣 （上海空间电源研究所，上海２００２３３）
摘要：对高功率车用薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆模块进行测试研究。电池堆模块可在空气压力”０。３００ ｋＰａ
条件下工作，表现出良好的高、低压兼容特性。当空气压力３００ ｋＰａ。电池堆温度７０℃。工作电流３５０ Ａ时。电池堆输 出功率可达２７．２ ｋＷ，其质量和体积比功率分别为７７７ Ｗ／ｋｇ和１ ０１５ Ｗ／Ｌ。单电池电压方差求和计算结果显示。在工 作电流５０—１２０Ａ的窗口区间内，单池电压具有相对最好的均匀一致性。在３２０Ａ（约为１ Ｎｃｍｚ）放电电流下，使用纯
氢／氧气的电池堆输出功率比使用氢／空气高出约１０％。空气相对湿度影响测试结果。电池堆较低功率下。空气的相对
湿度８０％一１００％为佳；而当高功率下，空气相对湿度８０％为佳。另外，对４单体薄型金属双极板燃料电池短堆进行耐 久性测试。累计超过２ ９００ ｈ。平均单池电压衰减率约为１０ ｍＶ／１ ０００ ｈ。
氧气计量比
空气计量比 工作温度／＇Ｃ 冷却水温差／℃ 反应气体相对湿度
参考值
０．２８
０．２８
０．２８
工作电流＜１００Ａ：１．５ 工作电流≥１００Ａ；１．２ 工作电流＜１００Ａ；１．５ 工作电流≥１００Ａ；１．２ 工作电流＜１００Ａ；３～４ 工作电流≥１００Ａ；２．２
≤７０ ≤８
工ຫໍສະໝຸດ Baidu电流＜１００ Ａ：１００％ 工作电流≥１００Ａ；８０％
ｐｌａｔｅ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ
项目
参数
单池数／个
１２６
活性面积／ｃｍ２
３２０
质量（干态Ｖｋｇ
外形尺寸／㈣３
３５ ２３０×３３８×３４５
１．４电性能测试评估系统 １．４．１电池堆弘ｆ测试
燃料电池堆电性能测试评估采用ＦＴＳ．５０Ｋ燃料电池测试
图３燃料电池堆测试评估装置
Ｆｉｇ．３ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ＰＥＭＦＣ ｓｔａｃｋ ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
图２ 薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆实物照片
Ｆｉｇ．２ Ｐｈｏｔｏｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ
表１ 薄型金属双极板ＰＥＭ燃料电池堆物理技术参数
Ｔａｂ．１
序号
１ ２ ３ ４
Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ
气和氧气均按恒定计量比１．５供应；工作电流≥１００Ａ时，空
气、氧气和氢气均按恒定计量比供应。
表２ 电池堆的标准运行与测试条件 Ｔａｂ．２ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｅｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＰＥＭＦＣ ｓｔａｃｋ
操作条件 氢气进口压力瓜岔ａ 空气进口压力，ＭＰａ 冷却水进口压力瓜但ａ
氢气计量比
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ａ ｔｈｉｎ ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ－ｐｌａｔｅ ＰＥＭ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｎｄ ｖａｌｉｄａｔｅｄ． Ｉｔ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ １ １０—３００ ｋＰａ ｂｙ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｉｃａＩ ｐｏｗｅｒ ｒｅａｃｈｅｄ ２７．２ ｋＷ ｏｐｅｒａｔｅｄ ａｔ ３５０ Ａ ａｎｄ ７０℃ｗｉｔｈ ３００ ｋＰａ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ａｉｒ．Ｓｏ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｖｏｌｕｍｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ ７７７ Ｗ／ｋｇ ａｎｄ １ ０１ ５ Ｗ／Ｌ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｖａｒｉａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｕｎｉｆＯｒｍｉｔｙ ｏｆ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｃｅｌｌ ｖｏｌｔａｇｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｃｋ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ｈａｄ ａ ｌｏｗｅｒ ｃｅｌｌ ｔｏ ｃｅｌｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｔ ｌｏａｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ５０ Ａ ｔｏ １ ２０ Ａ．Ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｐｕｒｅ Ｈ２ ａｎｄ ０２ ｗａｓ ａｂｏｕｔ １ ０％ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｕｓｉｎｇ Ｈ２ ａｎｄ ａｉｒ ａｔ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ３２０ Ａ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ １ Ａ／ｃｍ２．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｆｏｒ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ２ ９００ ｈ ｗｉｔｈ ａ ４－ｃｅｌｌ ｓｈｏｒｔ ｓｔａｃｋ ａｔ ａ ｇｉｖｅｎ ｔｅｓｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ ｂｙ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｔ １ ００ Ａ．Ｔｈｅ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗａｓ ａｂｏｕｔ １ ０ ｍＶ／ １ ０００ ｈ ｉｎ ａｖｅｒａｇｅ ｃｅｌｌ ｖｏｌｔａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＥＭＦＣ：ｍｅｔａｌ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ：ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
环冷却水进、出电池堆的流量和温度差控制电池堆的操作温 度。通常，电池堆操作温度≤８０℃，进出口温差≤８℃。电性能
测试以恒流模式进行，测试系统计算机可自动实时记录电池
堆及单体电池电压和其它相关信息。每个调节测试电流值下，
稳定运行１０～１５ ｍｉｎ后记录的电压值为有效电压测量值。测
试条件列于表２。工作电流≤１００Ａ时，空气计量比为３～４，氢
１实验
１．１金属双极板设计和Ｊｊｕ－ｒ
以优选出适合质子交换膜燃料电池工作环境的０．１０ ｎｌｍ 厚耐蚀合金箔带为基材，使用两套模具分别冲压成形阳极和
万方数据
６７９
２００９．８ Ｖ０１．３３ ＮＯ．８
阴极侧流场单板。最终完整的薄型金属双极板则是由阴、阳极 侧金属双极板单板以“背靠背”的形式连接、固化到一起，中 间夹合密封圈，其结构如图１所示。从图１中可看到，在电池 堆内金属双极板的阳极和阴极侧流场分别用于氢气和氧气 （空气）的分散，而两块单板之间的孔道可作为冷却剂的通道。
２００９．８ Ｖ０１．３３ Ｎｏ．８
万方数据
６８０
Ｆｉｇ．４
图４ 操作压力对电池堆性能影响 Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｃｋ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ｇａｓ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ
但在１ １０～３００ ｋＰａ空气压力条件范围内均可稳定运行，这与 电池堆所采用的流场结构设计密切相关。图４中，电池堆在不