質(zhì)子交換膜燃料電池原理與性能的研究測(cè)試分析

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC） 由于結(jié)構(gòu)及工作原理的特點(diǎn)，在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染氣體，被世界認(rèn)為最環(huán)保能源。本文通過(guò)對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體研究分析，詳細(xì)的測(cè)試了不同緊固作用的改變對(duì)PEMFC 工作性能的影響。研究結(jié)果表明隨著夾緊力的增大， 孔隙率會(huì)逐漸減小， 并且會(huì)影響催化層和擴(kuò)散層的水含量， 直接影響電池性能。

0 前言

質(zhì)子交換膜燃料電池主要應(yīng)用氫氣作為原料，將氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置。它的發(fā)電原理與普通的化學(xué)電池發(fā)電原理基本相同：都是利用正負(fù)極板上的電子的移動(dòng)完成燃料的氧化還原反應(yīng)。氧化過(guò)程發(fā)生在正極也就是陽(yáng)極，還原過(guò)程發(fā)生在負(fù)極也就是陰極。相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言質(zhì)子交換膜燃料電池，它的工作特點(diǎn)是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此效率更高。又因?yàn)樗且詺錃鉃槿剂?，最后作用的產(chǎn)生物是水，沒(méi)有生成任何有害氣體釋放到空氣中，是我們所需要的環(huán)保新能源。并且它的輸出功率更高，無(wú)需充電。正是因?yàn)樗哂羞@么突出的優(yōu)點(diǎn)，所以燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21 世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，被世界認(rèn)為是最有發(fā)展前途的新能源。

1 燃料電池的原理

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由陽(yáng)極流場(chǎng)板，膜電極和陰極流場(chǎng)板組成，其中膜電極又包含擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜。

在工作時(shí)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)直流電源，直流電源的負(fù)極相當(dāng)于燃料電池的陽(yáng)極，正極相當(dāng)于燃料電池的陰極。

首先氫氣通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陽(yáng)極，在陽(yáng)極催化劑的作用下，1 個(gè)氫分子解離為 2 個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出 2 個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：陽(yáng)極（ 負(fù)極）：2H2-4e- → 4H+.

在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過(guò)外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為： 陰極（ 正極）：O2+4H++4e- → 2H2O

總反應(yīng)式： 2H2+1/2 O2 → H2O + 電能

電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。

2 膜電極擴(kuò)散層變化研究

為了防止氣體泄漏和降低接觸電阻，一般狀態(tài)下，會(huì)施加適當(dāng)?shù)木o固作用將氣體擴(kuò)散層和流場(chǎng)板連接。并且施加的這種緊固作用的大小會(huì)直接影響到氣體擴(kuò)散層的滲透率、氣體孔隙率、接觸電阻以及最終的電池性能。

工作過(guò)程中質(zhì)子交換膜燃料電池的擴(kuò)散層孔隙率的變化通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段是很難測(cè)量的，評(píng)估不同緊固作用下擴(kuò)散層性能的變化必須在電池外進(jìn)行。

研究人員做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)；在固定夾緊力的前提下，把不同條件下膜電極的變形用一個(gè)有限元模型來(lái)模擬，研究了擴(kuò)散層的彈性形變。他們發(fā)現(xiàn)，雙極板構(gòu)造對(duì)擴(kuò)散層孔隙率的分布以及緊固作用的變化有很大的因果關(guān)系。研究人員使用一個(gè)sin2n（x） 的函數(shù)來(lái)近似表示孔隙率的分布情況，該函數(shù)（sin2n（x））是由其他函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化得出的。分析緊固作用的影響和擴(kuò)散層形變不宜采用過(guò)于簡(jiǎn)單的函數(shù)，因此，分析變形后的擴(kuò)散層的剖面常常使用有限元模型。

3 緊固作用對(duì)擴(kuò)散層影響

從理論的角度分析，緊固作用的增大必然會(huì)減小擴(kuò)散層中的孔隙率，那么電池的性能是因此而逐漸變好。究其原因，是由于隨著擴(kuò)散層的孔隙率的減小，接觸電阻會(huì)有所減小，更有利于電子的傳導(dǎo)過(guò)程。但是以質(zhì)子交換膜燃料電池來(lái)說(shuō)，水分的傳輸過(guò)程也會(huì)受到擴(kuò)散層中滲透率和孔隙率的影響。因?yàn)榻粨Q膜中的質(zhì)子需要和水結(jié)合后才能傳遞燃料。故其電導(dǎo)率與含水量有一定的相關(guān)性，如果膜內(nèi)水量的含量適中，不但電導(dǎo)率達(dá)到最佳值，而且其內(nèi)阻也會(huì)隨之降到最小。在燃料電池反應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生的水分，在催化層和擴(kuò)散層中傳輸時(shí)也將對(duì)電池的性能有重要的影響作用。

水分的含量對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的性能影響主要是影響質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電率和氣體所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。在燃料電池的組裝過(guò)程中，擴(kuò)散層會(huì)因?yàn)榫o固螺栓的加緊力大小的而產(chǎn)生形變，而隨著緊固作用的變化擴(kuò)散層中孔隙率和滲透率也會(huì)變化，那么必將影響到水的傳輸作用，影響電池的性能。

通常，人們認(rèn)為擴(kuò)散層中微孔的體積發(fā)生了改變就代表了擴(kuò)散層發(fā)生了形變，較大的微孔體積方便水的傳遞。而在孔隙率減小的情況下，水分會(huì)產(chǎn)生堵塞毛細(xì)孔的現(xiàn)象，故有效孔隙率的分布受到陰極產(chǎn)生的水分的影響。因此，由迭代過(guò)程中水的生成量決定有效孔隙率的改變。

由于緊固作用的變化導(dǎo)致擴(kuò)散層變形，可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)孔隙率的變化而導(dǎo)致水的生成以及接觸電阻的變化所發(fā)生的影響。

本文主要運(yùn)用一個(gè)兩相的質(zhì)子交換膜燃料電池模型進(jìn)行研究不同的緊固作用下擴(kuò)散層的變形形狀以及對(duì)電池性能的影響。

4 CAE 模型分析條件與分析結(jié)果

在模型中，研究電池極板的緊固作用與質(zhì)子交換膜燃料電池輸出特性之間的關(guān)系，將燃料電池的進(jìn)氣溫度設(shè)定為70℃，將陽(yáng)極和陰極相對(duì)應(yīng)的氣體流量分別設(shè)定為0.4 和1.0 L/min,燃料電池的反應(yīng)氣體工作壓力分別設(shè)定為1MPa,反應(yīng)氣體的相對(duì)濕度RH=1.0.擴(kuò)散層的最初的厚度和孔隙率分別為0.38mm 和0.78mm.我們分別研究了2.0MPa,2.5MPa,3.5MPa和4.5MPa4 種不同緊固作用情況下質(zhì)子交換膜燃料電池的性能變化。

緊固作用越大，則導(dǎo)致的擴(kuò)散層的厚度越小。因此，擴(kuò)散層厚度的變化可以計(jì)算出孔隙率和滲透率的變化。擴(kuò)散層中空隙處的體積以及其孔隙率就可以根據(jù)下列公式的厚度變化來(lái)計(jì)算出來(lái)， 是擴(kuò)散層最初的厚度和孔隙率， 是壓縮后的實(shí)際厚度。

通過(guò)上述公式對(duì)數(shù)模進(jìn)行模擬計(jì)算，在緊固作用下，當(dāng)壓力為 4.5MPa 時(shí)，脊部下方的平均孔隙率是原來(lái)的 61.22% ;當(dāng)壓力是 3.5Mpa 時(shí)，脊部下方的平均孔隙率是原來(lái)的77.17% ;當(dāng)壓力是2.5MPa 時(shí)，脊部下方的平均孔隙率是原來(lái)的86.98% ;當(dāng)壓力是2MPa 時(shí)，脊部下方的平均孔隙率是原來(lái)的89.92%.所以緊固壓力越大，平均孔隙率越小。

下圖給出了4 種模型的極化曲線。它們分別表示了在不同的緊固作用下的電池的性能變化情況。由圖中可以看出，在一定的范圍內(nèi)，燃料電池的性能先提高后降低。當(dāng)夾緊力為3.5MPa 時(shí)，燃料電池的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。而4.5MPa 時(shí)則出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)。根據(jù)我們之前的分析來(lái)判斷，這顯然是由于緊固作用加大了電導(dǎo)率，改善了性能，導(dǎo)致燃料電池的性能提高。而后的燃料電池性能下降則是因?yàn)殛帢O擴(kuò)散層中水含量逐步增大，引起的有效孔隙率的降低所導(dǎo)致。

5 結(jié)語(yǔ)

本文章根據(jù)有限元理論，利用CATIA 軟件和ANSYS 軟件作為研究工具，具體研究了質(zhì)子交換膜燃料電池受到極板的緊固作用發(fā)生的彈性形變，以及由此引發(fā)的電池內(nèi)部發(fā)生各種物理和化學(xué)的變化，對(duì)物質(zhì)傳輸影響，以及對(duì)電池性能的影響。

得出以下結(jié)論：

1. 通過(guò)將ANSYS 軟件計(jì)算后的結(jié)果與理論值進(jìn)行分析對(duì)比，得出了緊固作用的增大和孔隙率的減小對(duì)于燃料電池的性能既有提高的影響也有降低的影響?？紫堵蚀蟮脑黾恿藗鬏斖ǖ?，可以讓反應(yīng)物和生成物更輕松的通過(guò)。而孔隙率小的意味著通道比較狹小，會(huì)使得反應(yīng)物和生成物堵塞。

2. 擴(kuò)散層的孔隙率變小，會(huì)使傳輸質(zhì)量變差，但是電池的內(nèi)阻也會(huì)隨之變小。另外，擴(kuò)散層厚度的變小，電池的導(dǎo)電率變強(qiáng)，這樣非常有利于電荷的傳導(dǎo)。因此，最佳的孔隙率應(yīng)取一個(gè)折中的方案。

3.有限元模型可以對(duì)電池的裝配參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)做更進(jìn)一步的綜合研究，并且可以對(duì)電池的優(yōu)化研究提供有效的設(shè)計(jì)工具。（作者：鞠娜）