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质子交换膜燃料电池扩散层形变及其对电池传输特性和性能影响的研究

1.引言

1.1研究背景及意义

随着全球能源需求的不断增长和环境保护的日益重视，开发高效、清洁的能源转换技术显得尤为重要。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种新型的能源转换装置，以其高能量效率、低排放、静音运行等特点，在新能源汽车、分布式发电等领域具有广阔的应用前景。然而，PEMFC在实际运行过程中，扩散层的形变问题会影响电池的性能和寿命，成为制约其商业化的关键技术瓶颈。

本研究围绕PEMFC扩散层形变问题，探讨形变产生的原因及其对电池传输特性和性能的影响，旨在为优化燃料电池设计、提高电池性能提供理论依据和技术支持，对于推动我国燃料电池技术的进步具有重要的现实意义。

1.2研究目的与内容

本研究的主要目的是分析PEMFC扩散层形变的原因及影响因素，研究形变对电池传输特性和性能的影响，进而提出相应的改进措施和优化策略，以提高燃料电池的性能和稳定性。

研究内容包括：

分析PEMFC扩散层形变的原因及影响因素；

研究扩散层形变对电池传输特性的影响；

探讨扩散层形变对燃料电池性能的影响；

提出扩散层材料及结构的优化策略；

通过实验验证优化策略的有效性。

1.3文献综述

近年来，国内外学者在PEMFC扩散层形变及其对电池性能影响方面进行了大量研究。研究表明，扩散层形变主要受到温度、湿度、压力等外部因素以及材料本身性能的影响。形变会导致扩散层孔隙率、导热性、导电性等传输特性发生改变，进而影响电池的性能。

为解决扩散层形变问题，研究者们提出了多种优化措施，如选用高性能的材料、改进扩散层结构设计等。然而，目前关于扩散层形变对电池性能影响的研究尚不充分，仍需进一步探讨和验证优化策略的有效性。

2.质子交换膜燃料电池基本原理

2.1燃料电池工作原理

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池的一种，以其高效、清洁、无污染的特点，在新能源汽车、分布式发电等领域具有重要应用。其工作原理基于电化学原理，将氢气和氧气通过电化学反应直接转换为电能。

在PEMFC中，阳极输入氢气，阴极输入氧气或空气。氢气在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，生成质子（H+）和电子（e-）。质子通过质子交换膜（PEM）传递到阴极，而电子则通过外部电路到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子、电子及氧气发生还原反应，生成水。整个反应过程中，电子在外部电路流动，产生电能。

2.2扩散层的作用与结构

扩散层位于电极和气体流道之间，是PEMFC的关键组成部分。其主要作用是：1）为电极提供机械支撑；2）传递气体和质子；3）分散电流，降低电池内电阻。

扩散层的结构通常由碳纸、碳布或碳黑等碳基材料构成，具有高导电性和良好的气体扩散性能。为了提高扩散层的性能，有时会在碳基材料中添加一些导电聚合物、金属粉末等物质。扩散层的厚度、孔隙率、孔径等参数对PEMFC的性能具有重要影响。

在PEMFC运行过程中，扩散层承受着机械应力、热应力等多种因素影响，可能导致扩散层形变，进而影响电池的性能。因此，研究扩散层形变及其对电池传输特性和性能的影响具有重要意义。

3质子交换膜燃料电池扩散层形变分析

3.1形变原因及影响因素

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的扩散层是连接催化层和流场的部分，其主要功能是为反应气体和产物水提供传输通道，并支撑催化层。然而，在电池的运行过程中，扩散层可能会出现形变，影响电池的性能。扩散层形变的原因主要包括以下几方面：

机械应力：电池在组装和运行过程中，由于温度变化、压力不均等原因，会产生机械应力，导致扩散层形变。

水分变化：电池运行过程中，水分在催化层和扩散层之间不断变化，可能导致扩散层吸水膨胀或失水收缩，从而产生形变。

化学腐蚀：电池中的某些化学物质，如腐蚀性气体，可能导致扩散层材料发生腐蚀，影响其结构稳定性。

影响因素主要包括：

材料性质：扩散层的材料性质，如弹性模量、泊松比等，会影响其形变程度。

结构设计：扩散层的厚度、孔隙率、孔隙尺寸等结构参数，也会影响其形变。

运行条件：电池的运行温度、压力、湿度等条件，都会对扩散层的形变产生影响。

3.2形变对电池传输特性的影响

扩散层形变对质子交换膜燃料电池的传输特性具有显著影响，主要表现在以下几个方面：

气体传输阻力：扩散层形变导致其孔隙结构发生变化，从而影响气体在扩散层内的传输效率。形变越大，气体传输阻力越大，电池性能越差。

水传输阻力：扩散层形变会影响水的传输通道，导致水在电池内部的传输受阻，降低电池的排水能力，从而影响电池性能。

电荷传输阻力：扩散层形变可能影响催化层的结构稳定性，进而影响电荷在催化层和扩散层之间的传输。这会导致电池内阻增加，降低电池性能。

综上所述，扩散层形变对质子交换膜燃料电池的传输特性具有负面影响，进而影响电池的整体性能。因