质子交换膜燃料电池原理与性能的研究测试分析

质子交换膜燃料电池（PEMFC） 由于结构及工作原理的特点，在发生电化学反应过程中不产生任何污染气体，被世界认为最环保能源。本文通过对燃料电池内部结构具体研究分析，详细的测试了不同紧固作用的改变对PEMFC 工作性能的影响。研究结果表明随着夹紧力的增大， 孔隙率会逐渐减小， 并且会影响催化层和扩散层的水含量， 直接影响电池性能。

0 前言

质子交换膜燃料电池主要应用氢气作为原料，将氧化剂中的化学能转化为电能的一种发电装置。它的发电原理与普通的化学电池发电原理基本相同：都是利用正负极板上的电子的移动完成燃料的氧化还原反应。氧化过程发生在正极也就是阳极，还原过程发生在负极也就是阴极。相对于内燃机而言质子交换膜燃料电池，它的工作特点是直接将化学能转化为电能，因此效率更高。又因为它是以氢气为燃料，最后作用的产生物是水，没有生成任何有害气体释放到空气中，是我们所需要的环保新能源。并且它的输出功率更高，无需充电。正是因为它具有这么突出的优点，所以燃料电池技术被认为是21 世纪首选的洁净、高效的发电技术，被世界认为是最有发展前途的新能源。

1 燃料电池的原理

质子交换膜燃料电池主要由阳极流场板，膜电极和阴极流场板组成，其中膜电极又包含扩散层、催化层和质子交换膜。

在工作时质子交换膜燃料电池系统就相当于一个直流电源，直流电源的负极相当于燃料电池的阳极，正极相当于燃料电池的阴极。

首先氢气通过质子交换膜到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为：阳极（ 负极）：2H2-4e- → 4H+.

在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为： 阴极（ 正极）：O2+4H++4e- → 2H2O

总反应式： 2H2+1/2 O2 → H2O + 电能

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

2 膜电极扩散层变化研究

为了防止气体泄漏和降低接触电阻，一般状态下，会施加适当的紧固作用将气体扩散层和流场板连接。并且施加的这种紧固作用的大小会直接影响到气体扩散层的渗透率、气体孔隙率、接触电阻以及最终的电池性能。

工作过程中质子交换膜燃料电池的扩散层孔隙率的变化通过实验手段是很难测量的，评估不同紧固作用下扩散层性能的变化必须在电池外进行。

研究人员做了这样一个实验；在固定夹紧力的前提下，把不同条件下膜电极的变形用一个有限元模型来模拟，研究了扩散层的弹性形变。他们发现，双极板构造对扩散层孔隙率的分布以及紧固作用的变化有很大的因果关系。研究人员使用一个sin2n（x） 的函数来近似表示孔隙率的分布情况，该函数（sin2n（x））是由其他函数进行简化得出的。分析紧固作用的影响和扩散层形变不宜采用过于简单的函数，因此，分析变形后的扩散层的剖面常常使用有限元模型。

3 紧固作用对扩散层影响

从理论的角度分析，紧固作用的增大必然会减小扩散层中的孔隙率，那么电池的性能是因此而逐渐变好。究其原因，是由于随着扩散层的孔隙率的减小，接触电阻会有所减小，更有利于电子的传导过程。但是以质子交换膜燃料电池来说，水分的传输过程也会受到扩散层中渗透率和孔隙率的影响。因为交换膜中的质子需要和水结合后才能传递燃料。故其电导率与含水量有一定的相关性，如果膜内水量的含量适中，不但电导率达到最佳值，而且其内阻也会随之降到最小。在燃料电池反应的过程中产生的水分，在催化层和扩散层中传输时也将对电池的性能有重要的影响作用。

水分的含量对于质子交换膜燃料电池的性能影响主要是影响质子交换膜的导电率和气体所发生的电化学反应。在燃料电池的组装过程中，扩散层会因为紧固螺栓的加紧力大小的而产生形变，而随着紧固作用的变化扩散层中孔隙率和渗透率也会变化，那么必将影响到水的传输作用，影响电池的性能。

通常，人们认为扩散层中微孔的体积发生了改变就代表了扩散层发生了形变，较大的微孔体积方便水的传递。而在孔隙率减小的情况下，水分会产生堵塞毛细孔的现象，故有效孔隙率的分布受到阴极产生的水分的影响。因此，由迭代过程中水的生成量决定有效孔隙率的改变。

由于紧固作用的变化导致扩散层变形，可能会产生对孔隙率的变化而导致水的生成以及接触电阻的变化所发生的影响。

本文主要运用一个两相的质子交换膜燃料电池模型进行研究不同的紧固作用下扩散层的变形形状以及对电池性能的影响。

4 CAE 模型分析条件与分析结果

在模型中，研究电池极板的紧固作用与质子交换膜燃料电池输出特性之间的关系，将燃料电池的进气温度设定为70℃，将阳极和阴极相对应的气体流量分别设定为0.4 和1.0 L/min,燃料电池的反应气体工作压力分别设定为1MPa,反应气体的相对湿度RH=1.0.扩散层的最初的厚度和孔隙率分别为0.38mm 和0.78mm.我们分别研究了2.0MPa,2.5MPa,3.5MPa和4.5MPa4 种不同紧固作用情况下质子交换膜燃料电池的性能变化。

紧固作用越大，则导致的扩散层的厚度越小。因此，扩散层厚度的变化可以计算出孔隙率和渗透率的变化。扩散层中空隙处的体积以及其孔隙率就可以根据下列公式的厚度变化来计算出来， 是扩散层最初的厚度和孔隙率， 是压缩后的实际厚度。

通过上述公式对数模进行模拟计算，在紧固作用下，当压力为 4.5MPa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的 61.22% ;当压力是 3.5Mpa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的77.17% ;当压力是2.5MPa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的86.98% ;当压力是2MPa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的89.92%.所以紧固压力越大，平均孔隙率越小。

下图给出了4 种模型的极化曲线。它们分别表示了在不同的紧固作用下的电池的性能变化情况。由图中可以看出，在一定的范围内，燃料电池的性能先提高后降低。当夹紧力为3.5MPa 时，燃料电池的性能达到最佳状态。而4.5MPa 时则出现了明显的波动。根据我们之前的分析来判断，这显然是由于紧固作用加大了电导率，改善了性能，导致燃料电池的性能提高。而后的燃料电池性能下降则是因为阴极扩散层中水含量逐步增大，引起的有效孔隙率的降低所导致。

5 结语

本文章根据有限元理论，利用CATIA 软件和ANSYS 软件作为研究工具，具体研究了质子交换膜燃料电池受到极板的紧固作用发生的弹性形变，以及由此引发的电池内部发生各种物理和化学的变化，对物质传输影响，以及对电池性能的影响。

得出以下结论：

1. 通过将ANSYS 软件计算后的结果与理论值进行分析对比，得出了紧固作用的增大和孔隙率的减小对于燃料电池的性能既有提高的影响也有降低的影响。孔隙率大的增加了传输通道，可以让反应物和生成物更轻松的通过。而孔隙率小的意味着通道比较狭小，会使得反应物和生成物堵塞。

2. 扩散层的孔隙率变小，会使传输质量变差，但是电池的内阻也会随之变小。另外，扩散层厚度的变小，电池的导电率变强，这样非常有利于电荷的传导。因此，最佳的孔隙率应取一个折中的方案。

3.有限元模型可以对电池的装配参数和运行参数做更进一步的综合研究，并且可以对电池的优化研究提供有效的设计工具。（作者：鞠娜）