邱健蓄电池温度与压力对PEMFC气体扩散层关键指标的影响

在曩昔的几十年中，质子交流膜燃料电池（PEMFC）因高能量转化功率、低排放和快速发动才能而成为一种引人注目的清洁能源技术。PEMFC的中心组件之一是气体分散层（GDL），GDL决议了燃料电池的功能和耐久性。GDL是一个多功能的组件，它不仅为反响气体提供运送通道，还负责水办理、热传导和电子传导，因而，研讨GDL在多物理场（如热、湿度、力学和电化学反响等）影响下的行为尤为重要。这些物理场之间的杂乱相互作用会显着影响GDL的功能，然后影响整个燃料电池的功率和稳定性。

在GDL的研讨中，理解并猜测这些耦合效应对于设计更高效和更经用的GDL至关重要。多物理场剖析经过数值模仿来研讨安装压力、作业温度和湿度等要素的相互作用对PEMFC产生的影响。经过模仿，能够猜测在不同作业条件下GDL的行为，然后优化其设计和操作参数。张智明等^［1］树立了PEMFC功能的多物理场模型，联合ANSYS和FLUENT仿真，剖析了安装压力、触摸电阻以及电池作业环境参数等对燃料电池功能的影响；Toghyani等^［2］以高温PEMFC为研讨对象，研讨了不同作业温度下的安装压力对GDL形变的影响，发现过度形变的GDL侵入气体流道会大幅下降燃料电池功能；Zhou等^［3］归纳研讨了GDL与质子交流膜的拼装力对电池功能的影响，并针对不同厚度的GDL进行试验，当施加1.5 MPa最佳安装压力时，薄GDL与质子交流膜的组合可显着进步电池功能。Lu等^［4］研讨了Nafion 211膜的时间性湿热机械行为，发现膜会跟着温度和湿度的添加而产生胀大，然后推断出与膜紧密连接的GDL孔隙特性会产生一定的改变。廖礼文等^［5］在此基础上，考虑温度、湿度和进气压力等要素对PEMFC运转的影响，并剖析了膜电极的受力状况，研讨表明跟着温度升高，GDL活性区域等效应力和应变添加，然后导致GDL厚度增大。张恒等^［6］经过调整GDL的紧缩比，模仿实践安装压力巨细，对紧缩比为5%、10%、15%和20%的模型进行数值模仿，成果表明跟着紧缩比增大，PEMFC的功能先上升，后下降，在紧缩比为20%时达到最佳功能。Bao等^［7］重建了GDL的纤维结构，再经过数值模仿验证紧缩应力及孔隙率等资料特性的改变，研讨证明紧缩会下降GDL的氧气分散率，进步GDL的导电性。

此前的研讨现已独自提醒了安装压力、作业温度与GDL形变的联系，但没有剖析低温燃料电池在杂乱运转工况下，因温度改变所带来的GDL形变导致的影响。此外，以前的研讨多会集于燃料电池全体功能参数指标。本文作者经过数值模仿方法，剖析PEMFC中的GDL在多种物理要素耦合作用下的行为，考虑了温度改变和安装压力的相互作用，以及这两种要素如何影响GDL的功能和燃料电池的全体运转状况。

图1  PEMFC运转示意图

Fig.1  Schematic of proton exchange membrane fuel cell（PEMFC） operation

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1 模型树立

1.1 模型与核算域

受安装压力、作业温度影响最显着的组件是双极板、GDL和膜电极等，催化剂层所受的影响可忽略不计^［8］。故依据表1的基本参数树立三维PEMFC单流道模型，核算域及其网格划分如图2所示。其中包括阴阳两极双极板、流道、气体分散层以及质子交流膜，双极板与GDL触摸部分为肋部，中间为气体流道。探究安装压力别离为1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa和2.5 MPa下作业温度为40 ℃、60 ℃和80 ℃时模型的核算成果。模型中的相关物理参数如表2所示。

表1  模型基本参数
Table 1  Basic parameters of the model

参数	数值	单位
双极板厚度	20	mm
初始气体分散层厚度	0.25	mm
质子交流膜厚度	0.2	mm
流道宽/高	1/1.5	mm
催化剂层厚度	0.05	mm
通道长度	100	mm
肋宽	1	mm

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图2  低温PEMFC直流道三维模型及网格划分

Fig.2  Three-dimensional modelling and meshing of low-temperature PEMFC straight channels

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表2  PEMFC资料的首要力学功能^［9］
Table 2  Mechanical properties of PEMFC major materials^［9］

参数	双极板	气体分散层	质子交流膜	单位
杨氏模量	13 000	6.3	197	MPa
泊松比	0.26	0.25	0.253
电导率	20 000	300	9.825	S/m
密度	2 160	1 000	1 980	kg/m3
初始孔隙率	0	0.8	0.3

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经过ABAQUS模仿燃料电池GDL在安装压力和作业温度改变下的厚度改变状况，剖析孔隙率、浸透率功能参数的改变状况。

1.2 模型假定

GDL一般由多孔资料组成，其内部很多的微孔随机散布，若准确考虑GDL内部结构的细微要素影响，剖析问题将会变得非常杂乱。因而，树立模型时存在如下假定：①湿热环境下资料的紧缩回弹性等宏观力学功能仍可保持，碳纤维的化学结构（石墨化晶体）几乎不产生水解或氧化反响；②PEMFC全体反响区域均匀散热，参加消耗；③GDL形变遵守胡克定律，是彻底弹性的；④PEMFC内部各组件之间无原始应力；⑤金属双极板现已过外表涂层处理。

1.3 模型核算

利用ABAQUS有限元剖析软件树立热力耦合模型，在双极板上下外表施加均匀的安装压力，流道中施加不同的反响温度，左右两面进行对称约束，其余面为自由面。GDL与质子交流膜选用热压的方法制备成膜电极组件（MEA），因而二者未产生相对滑动，设置双极板（BPP）与GDL触摸类型为面触摸，其他面为通用触摸，经过守恒方程进行核算。流道选用0.05 mm的过渡圆角，避免流道与GDL触摸部分产生应力会集。在双极板正上方别离均匀施加1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa和2.5 MPa的安装压力，在双极板与气体分散层中间的流道处设置作业温度别离为40 ℃、60 ℃和80 ℃，将所得成果导出，得到GDL在不同压力和温度下的厚度曲线，经过经验公式核算出GDL的孔隙率和浸透率。

剖析气体分散层在热力耦合效应下的归纳问题时，须从静力学、几许学及物理学等方面下手，终究得到GDL内应力重量与膂力、面力重量之间的联系，应变与位移和位移边界之间的联系以及应变与应力重量之间的联系^［10］，别离由以下方程表示。

1.3.1 平衡微分方程

∂σi∂xi+∂τij∂xj+∂τik∂xk+fi=0

（1）

式（1）中：i、j、k别离代表x、y、z方向；f_i为体积力；σ_i为对应方向的正应力；τ_ij（τ_ik）为相应平面上的剪应力，且不同平面上的剪应力应满足以下条件：

τxy=τyxτxz=τzxτyz=τzy

（2）

1.3.2 几许方程

εx=∂u∂x,γxy=∂u∂x+∂u∂yεy=∂v∂x,γxy=∂v∂x+∂u∂yεz=∂w∂x,γyz=∂w∂y+∂v∂z

（3）

式（3）中：ε_x、ε_y、ε_z别离表示x、y、z方向上的正应变；u、v、w别离为对应方向上的位移；γ_xy、γ_yz、γ_zx别离表示对应方向上的剪应变。

1.3.3 物理方程

γij=τijG

（4）

G=E21+μ

（5）

式（4）、（5）中：E为弹性模量；G为剪切弹性模量；μ为泊松比。

在资料彻底弹性和各向同性的条件下，物理方程能够表示为胡克定律。

1.3.4 能量守恒方程

∂ερcpT∂t+∇⋅ερcpuT=∇⋅θeff∇T+SQ

（6）

式（6）中：c_p为流体的比热容；T为温度；ε为改变后的孔隙率；ρ为资料密度；u为速度矢量；θ^eff为有效导热系数；S_Q为能量源项；t为反响时间。

2 成果与评论

2.1 作业温度对GDL形变的影响

不同的温度条件下，GDL的形变如图3所示。

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图3  3种作业温度PEMFC在不同安装压力下的GDL厚度曲线

Fig.3  Gas diffusion layer（GDL） thickness profiles at different assembly pressures for three operating temperature PEMFCs

双极板的杨氏模量远大于GDL的杨氏模量，而催化层的厚度非常薄，其形变可忽略不计，因而由温度引发的形变首要产生在GDL。从图3可知，GDL全体的形变量随安装压力的增大而添加，双极板与GDL触摸的肋部（0~0.5 mm、1.5~2.0 mm）形变极小，在流道处，温度越高，形变程度越大，由于温度的升高以及GDL特殊的资料性质，导致GDL产生一定程度的热胀大，不仅如此，高温还加重了质子交流膜中的化学反响，产生很多积水，使得GDL吸水胀大，二者的叠加作用下，80 ℃时GDL的全体形变量更大。流道下方的GDL（0.5~1.5 mm）在小压力和较低的温度状况下，形变上升趋势较为缓慢，在较大安装压力和较高的作业温度的状况下，与双极板外表脱离触摸处的GDL（0.5 mm、1.5 mm）急剧变形，直到形变量最大值时形变速率减慢，整个GDL截面形变呈对称状。在图3（a）中，作业温度为80 ℃，安装压力为1.0 MPa时，紧缩比为0.77；安装压力为1.6 MPa时，紧缩比为0.61；安装压力为2.5 MPa时，紧缩比仅为0.40，因而能够得出，跟着安装压力添加，GDL厚度改变减慢。从图3（b）可知：安装压力为1.6 MPa时，紧缩比为0.56；安装压力为2.5 MPa时，紧缩比为0.37；从图3（c）可知：安装压力为1.6 MPa时，紧缩比为0.54；安装压力为2.5 MPa时，紧缩比为0.30。不同的作业温度，相同安装压力下，紧缩比亦有差别，温度为80 ℃时，在相同安装压力下，紧缩比的改变速率比60 ℃和40 ℃时更快，所以针对不同作业温度需求确认相应的安装压力，确保最佳的紧缩比。

2.2 作业温度对GDL孔隙率的影响

温度会影响GDL资料中的孔隙数量，然后影响PEMFC的传质和液态水的传输。孔隙率减小会使得GDL中的传输阻力增大，下降反响气体的传输功率，同时液态水更简单积聚，进一步阻碍气体传输，导致电池功能显着下降。孔隙率与GDL厚度之间存在函数联系，如式（7）所示：

ε=1-1-ε0δ0δ

（7）

式（7）中：ε₀为GDL的初始孔隙率；ε为改变后的孔隙率；δ₀为GDL初始厚度；δ为经过热力耦合作用后的GDL变形厚度。

作业温度对GDL孔隙率的影响如图4所示。

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图4  3种作业温度PEMFC在不同安装压力下的GDL孔隙率曲线

Fig.4  GDL porosity profiles at different assembly pressures for three operating temperature PEMFCs

压力较小时，双极板与GDL肋下触摸部分（0~0.5 mm、1.5~2.0 mm）孔隙率产生微小改变；跟着压力逐渐增大，GDL内部温度添加，导致水含量增大，湿度添加，资料吸水胀大，流道部分GDL的孔隙率显着增大。如图4（a）所示，温度为80 ℃，安装压力为1.0 MPa时，肋下孔隙率减小到0.73；安装压力为1.6 MPa时，GDL肋下孔隙率减小了0.14，安装压力为2.5 MPa时，肋下孔隙率平均值为0.51；2.5 MPa时，孔隙率改变速度显着加速，远超于作业压力为1.0 MPa时的孔隙率改变速度，安装压力与孔隙率之间非线性联系，跟着安装压力增大，肋下孔隙率改变速率加速。如图4（b）所示，作业温度为60 ℃，安装压力为1.6 MPa时，肋下孔隙率减小0.15，安装压力为2.5 MPa时，肋下孔隙率平均值为0.48；如图4（c）所示，安装压力为1.6 MPa时，肋下孔隙率减小了0.17，安装压力为2.5 MPa时，肋下孔隙率平均值为0.34；在相同的安装压力下，不同的作业温度对应的孔隙率改变量不同。作业温度越高，分子热运动加重，导致气体分子分散更快，孔隙率平均值越大。图4中，流道下方（0.5~1.5 mm）的孔隙率改变相对较慢，其改变趋势也与肋下GDL（0~0.5 mm、1.5~2.0 mm）保持一致。

2.3 作业温度对GDL电导率的影响

温度改变会导致GDL产生形变，并影响GDL的质子传导性和资料功能。GDL电导率和孔隙率之间存在着密切联系，由GDL厚度形变及孔隙率的改变规律可知在流道下方的孔隙率几乎不变，因而肋下的电导率改变是影响全体电导率的首要要素。电导率的核算公式为：

γeff=γ0(1-ε)1.5

（8）

式（8）中：γ₀为初始电导率。

由式（8）可算出形变后电导率与形变前电导率的比值，并拟合出与电导率同安装压力、作业温度之间的联系。

不同作业温度下GDL肋下电导率与孔隙率曲线如图5所示。

图5  不同作业温度下GDL肋下电导率与孔隙率曲线

Fig.5  Conductivity and porosity curves under GDL rib at different operating temperatures

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从图5可知，在安装压力相同时，作业温度越高，电导率越大。当作业温度为40 ℃，安装压力2.5 MPa时的电导率是1.6 MPa时的2倍。当作业温度为80 ℃时，安装压力2.5 MPa的电导率是1.6 MPa时的2.6倍，高温状况下电导率改变速率显着加速。作业温度为80 ℃，压力为2.0 MPa时，电导率呈现显着添加。

将GDL肋下电导率和孔隙率进行归纳剖析可知，跟着安装压力的增大，电导率曲线与孔隙率曲线会存在交点。当作业温度为80 ℃时，曲线在2.2~2.4 MPa存在交点，因而，GDL功能的最佳安装压力可能在此区间。

3 结论

在作业温度和安装压力的一起作用下，GDL会产生较大的形变，故资料的物理参数产生改变，然后影响低温PEMFC功能。本文作者研讨了不同安装压力下，作业温度对GDL物理参数的影响，得出如下结论：

（1）GDL全体形变量跟着作业温度升高而增大，跟着安装压力的添加而增大，双极板与GDL触摸的肋部改变量小，流道处的改变极大但改变速率逐渐减慢。

（2）GDL与双极板触摸的肋下孔隙率跟着安装压力的增大而减小，且孔隙率的减小速率不断加速。在相同安装压力下，作业温度越高，孔隙率改变越显着。

（3）GDL电导率跟着安装压力添加而增大，且温度升高时，电导率的改变速率显着加速；在相同安装压力条件下，作业温度越高，电导率越大。

对GDL肋下电导率和孔隙率进行归纳剖析可知，当作业温度为80 ℃时，电导率与孔隙率的曲线在2.2~2.4 MPa内存在交点，在这一范围内，电导率与孔隙率之间存在着平衡联系，因而适应GDL功能的最佳安装压力可能在此区间。