气体扩散层的电学性能.DOC

多孔气体扩散电极受压对电学与传输性能的影响* 周平 吴承伟 工业装备与结构分析国家重点实验室，大连理工大学工程力学系，大连，116024 摘要：多孔气体扩散层在受到封装压力的情况下，接触电阻、体电阻、气体传输能力以及水传输能力发生变化，进一步对燃料电池整体性能产生影响。不合理的封装会降低燃料电池性能，会增加接触电阻并且增加水淹可能性。本文回顾了国内外学者对这一问题所做的相关研究并借助有限元法和有限体积法，模拟了封装过程对燃料电池电化学性能的影响。 关键字：燃料电池，多孔介质，封装载荷，接触电阻，两相流 1.引言 燃料电池作为一种无污染的新型能源装置越来越受到各国政府和研究者的关注，主要被用来给汽车等耗能设备提供能源或者作为社区电站和便携式电源，目前正迅速向市场推广，走进人们的生活。要让燃料电池真正市场化，还必须继续降低燃料电池的造价、体积并提升燃料电池的可靠性和效率。燃料电池的研究包含了电极的电化学性能，整体封装结构与局部电极材料与结构设计，控制系统等诸多方面。针对整体封装过程中，封装载荷对电极气体多孔扩散层以及对燃料电池整体性能影响的研究目前已有一些研究，但从公开发表的文章来看还处于起步阶段，并没有对其进行系统详细研究的科研机构。从初步的研究结果表明，封装载荷会影响燃料电池的极限电流和最大输出功率[1-5]。 Figure 1 图1 燃料电池封装过程示意图 质子交换膜燃料电池(PEMFC)包括电极板、端板、垫圈、气体扩散层（GDL）和膜电极集合体(MEA)等组件，这些组件通过一些螺栓封装成一体（图1所示）。封装主要是为了防止电极中的气体泄漏，并且使电极板和气体扩散层有很好的接触以降低接触面的接触电阻。封装后电极板的脊（rib,和气体扩散层的接触部分）会使气体扩散层产生压缩。垫圈材料的弹性模量相对于气体扩散层较高，可以用来控制封装后气体扩散层的压缩量。气体扩散层一般选用碳纸或碳布，用来传输反应气体和排出电极电化学反应生成的水，并在电极板与膜电极之间传输电子。碳纸或碳布属于纤维多孔介质，孔隙度较高，一般在0.5-0.9之间。封装后气体扩散层脊下的部分被压缩。过大的压缩量使气体扩散层的孔隙度大幅度减小，这使得多孔介质的渗透性能降低从而影响燃料电池的性能。过小的压缩量又不能够保证气体扩散层和电极板脊间足够的真实接触面而产生较大的界面接触电阻。 近年来，封装过程的重要性已引起国内外研究者的重视，陆续对此进行了一些实验与理论研究。Lee[1]于1999年对几种常用的商业化气体扩散层进行了不同封装力下的对燃料电池极化曲线（电流——电压曲线）影响的实验研究，发现封装载荷对燃料电池性能的影响非常显著。但Lee的实验中由于没有给出相应的气体扩散层压缩量而使得难以将结果定量化或一般化。Ge[2]的实验设计了一套压缩量可控得装置用来测定封装影响，一定程度上弥补了Lee的不足，对碳纸和碳布两种情况进行了测试，考虑了不同的湿润温度和反应气体流量。以上两个实验都是通过直接的观察极化曲线来判断封装对燃料电池性能的影响。在机理上，封装载荷主要通过影响电极板脊与气体扩散层的接触电阻和脊下方气体扩散层受压导致渗透性能下降间接影响燃料电池性能。Chang[4] 和 Nitta[5] 实验研究了封装载荷对气体扩散层变形、孔隙度、渗透系数、电阻系数的影响，比较全面地分析了封装影响燃料电池性能的原因。Zhou[3] 和Hottinen[6]通过数值分析解释了不同情况下封装载荷对燃料电池性能的影响大小，并给出了一定结构和工况下的最优封装方案。 要研究封装过程对电池性能的影响十分复杂，其最终目的是给出一个最佳的封装压缩量。由于各方面因素较多，通过实验很难得到普遍适用的结果，并且实验费用很高。数值模拟是研究封装载荷的首选方式，但数值模拟也要一些基础的实验研究作为基础。这方面的基础研究主要涉及界面接触电阻，多孔介质机械物理属性主要是渗透性能、扩散性能与电学性能与压缩量的关系。本文主要针对碳纸这种常用的的多孔气体扩散层，对这些方面的实验研究与数学模型做一些论述，这对做封装过程的数值模拟有很大的帮助。通过论述这些基础性工作，基于两相流模型，使用有限元法与有限体积法对封装过程与封装后的电极电化学反应进行数值模拟。 2. 气体扩散层的基本物理性能 在对燃料电池封装过程进行数值模拟时需要先了解清楚气体扩散层的力学性能、电学性能和渗透扩散性能。其中力学性能包括压力——压缩量关系和压缩量——孔隙度关系。电学性能包括压缩量——体电阻率关系和压缩量——界面接触电阻率关系。扩散性能尤其是渗透性能的描述相对比较复杂，要考虑初始孔隙度、纤维直径、压缩量、液态水饱和度、碳纸中的憎水剂聚四氟乙烯（PTFE）含量等众多因素。以下我们针对每一点介绍一下现有的可以参考的实验研究和理论模型。 Figure 2