質(zhì)子交換膜燃料電池性能影響的分析

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完成燃料的氧化還原反應(yīng)。氧化過程發(fā)生在正極也就是陽極，還原過程發(fā)生在負(fù)極也就是陰極。相對于內(nèi)燃機而言質(zhì)子交換膜燃料電池，它的工作特點是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此效率更高。又因為它是以氫氣為燃料，最后作用的產(chǎn)生物是水，沒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，無需充電。正是因為它具有這么突出的優(yōu)點，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。

一、燃料電池的原理

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

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

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

在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(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。

二、膜電極擴散層變化分析

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

工作過程中質(zhì)子交換膜燃料電池的擴散層孔隙率的變化通過實驗手段是很難測量的，評估不同緊固作用下擴散層性能的變化必須在電池外進行。

研究人員做了這樣一個實驗;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有限元模型來模擬，研究了擴散層的彈性形變。他們發(fā)現(xiàn)，雙極板構(gòu)造對擴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sin2n(x) 的函數(shù)來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)進行簡化得出的。分析緊固作用的影響和擴散層形變不宜采用過于簡單的函數(shù)，因此，分析變形后的擴散層的剖面常常使用有限元模型。

三、緊固作用對擴散層影響

從理論的角度分析，緊固作用的增大必然會減小擴散層中的孔隙率，那么電池的性能是因此而逐漸變好。究其原因，是由于隨著擴散層的孔隙率的減小，接觸電阻會有所減小，更有利于電子的傳導(dǎo)過程。但是以質(zhì)子交換膜燃料電池來說，水分的傳輸過程也會受到擴散層中滲透率和孔隙率的影響。因為交換膜中的質(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)率達到最佳值，而且其內(nèi)阻也會隨之降到最小。在燃料電池反應(yīng)的過程中產(chǎn)生的水分，在催化層和擴散層中傳輸時也將對電池的性能有重要的影響作用。

水分的含量對于質(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程中，擴散層會因為緊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散層中孔隙率和滲透率也會變化，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)為擴散層中微孔的體積發(fā)生了改變就代表了擴散層發(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，水分會產(chǎn)生堵塞毛細孔的現(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)致擴散層變形，可能會產(chǎn)生對孔隙率的變化而導(dǎo)致水的生成以及接觸電阻的變化所發(fā)生的影響。

本文主要運用一個兩相的質(zhì)子交換膜燃料電池模型進行研究不同的緊固作用下擴散層的變形形狀以及對電池性能的影響。

四、CAE 模型分析條件與結(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，將燃料電池的進氣溫度設(shè)定為70℃，將陽極和陰極相對應(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)氣體的相對濕度RH=1.0.擴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)致的擴散層的厚度越小。因此，擴散層厚度的變化可以計算出孔隙率和滲透率的變化。擴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計算出來， 是擴散層最初的厚度和孔隙率， 是壓縮后的實際厚度。

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

圖2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，燃料電池的性能達到最佳狀態(tài)。而4.5MPa 時則出現(xiàn)了明顯的波動。根據(jù)我們之前的分析來判斷，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為陰極擴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。

五、結(jié)論

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，對物質(zhì)傳輸影響，以及對電池性能的影響。

1)通過將ANSYS 軟件計算后的結(jié)果與理論值進行分析對比，得出了緊固作用的增大和孔隙率的減小對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溃梢宰尫磻?yīng)物和生成物更輕松的通過。而孔隙率小的意味著通道比較狹小，會使得反應(yīng)物和生成物堵塞。

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

3)有限元模型可以對電池的裝配參數(shù)和運行參數(shù)做更進一步的綜合研究，并且可以對電池的優(yōu)化研究提供有效的設(shè)計工具。

由以上分析結(jié)果可知，隨著夾緊力的增大， 孔隙率會逐漸減小， 并且會影響催化層和擴散層的水含量， 直接影響電池性能。