裝配壓力對(duì)PEMFC氣體擴(kuò)散層影響的研究

吉 辰,胡桂林

(浙江科技學(xué)院 a.生物與化學(xué)工程學(xué)院;b.機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,杭州 310023)

裝配壓力對(duì)PEMFC氣體擴(kuò)散層影響的研究

吉 辰a,胡桂林b

(浙江科技學(xué)院 a.生物與化學(xué)工程學(xué)院;b.機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,杭州 310023)

在質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)裝配過(guò)程中,為得到最佳裝配壓力以提高燃料電池性能,延長(zhǎng)使用壽命,建立基于有限元分析法(ANSYS)的三維單通道質(zhì)子交換膜燃料電池模型。通過(guò)此模型研究燃料電池模型在不同裝配壓力下的氣體擴(kuò)散層形變和應(yīng)力分布情況,并模擬出氣體擴(kuò)散層頂部變形曲線。分析不同裝配壓力對(duì)氣體擴(kuò)散層形變量及孔隙率的影響,同時(shí)，結(jié)合氣體擴(kuò)散層形變后不同位置孔隙率的變化,得出最佳裝配壓力范圍為1.5～2.0 MPa。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC);氣體擴(kuò)散層;裝配壓力;數(shù)值模擬

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)燃料來(lái)源廣泛，清潔無(wú)污染，工作電流大，效率高，可在低溫下工作且常溫啟動(dòng)快,被視為最有發(fā)展前景的清潔能源轉(zhuǎn)換裝置之一。燃料電池各組件之間需要通過(guò)從外部施加壓力進(jìn)行組裝[1-2],若裝配壓力過(guò)大,會(huì)造成氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer, GDL)的過(guò)度變形甚至是不可逆性破壞,從而減小了氣體傳輸通道[3],增加傳質(zhì)阻力,甚至損壞電池部件,縮短使用壽命;相反,若裝配壓力過(guò)小,則密封性得不到保證,存在燃料氣體泄漏的危險(xiǎn),且由于雙極板與GDL之間接觸不良,會(huì)增加接觸電阻,也會(huì)降低燃料電池的工作效率[4-5]。因此,為了提高燃料電池性能，延長(zhǎng)使用壽命,選擇合理的裝配壓力非常重要。

早在1999年,Lee等[6]首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析裝配壓力對(duì)PEMFC性能的影響,發(fā)現(xiàn)電池性能并不是隨著裝配壓力的增加呈單調(diào)變化的,而是存在最佳裝配壓力，可使電池性能最優(yōu)。Lim等[7]在研究高性能甲醇燃料電池的過(guò)程中,針對(duì)裝配壓力對(duì)性能的影響進(jìn)行了測(cè)試,將電極分別壓縮1/3和2/3,發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝配壓力較大時(shí),電池性能會(huì)明顯下降。Akiki等[8]在對(duì)4種商業(yè)化GDL的水淹狀況進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著裝配壓力的增加孔隙率會(huì)降低,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)電池性能隨著裝配壓力的增加并非單調(diào)變化。Ge等[9]設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)試裝配壓力影響的裝置,對(duì)采用不同材料(如碳紙、碳布等)的GDL的燃料電池在給定壓縮量時(shí)的電池性能進(jìn)行了測(cè)試,通過(guò)不同壓縮量下的電池性能測(cè)試,得到了最優(yōu)裝配壓力。Chang等[10]測(cè)試了裝配壓力對(duì)接觸電阻、孔隙率和滲透率等的影響,分析了裝配壓力對(duì)電池性能產(chǎn)生影響的主要原因。Bates和Carral等[11-12]分別研究了裝配壓力對(duì)電池堆性能的影響。上述研究大多指出裝配壓力對(duì)燃料電池性能存在影響,但并沒(méi)有揭示裝配壓力是如何影響燃料電池性能的。考慮到資金、技術(shù)等原因,數(shù)值模擬更為經(jīng)濟(jì)有效，故筆者通過(guò)建立三維單通道PEMFC模型,基于有限元分析法,研究模型在不同裝配壓力下引起GDL的形變情況和應(yīng)力分布,得到不同裝配壓力對(duì)形變量大小的影響,并結(jié)合壓力對(duì)GDL孔隙率的影響得出最佳裝配壓力。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 建立模型

PEMFC主要由陰、陽(yáng)極雙極板(bipolar plate, BP),陰、陽(yáng)極流道(channel),陰、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(GDL),陰、陽(yáng)極催化層(CL)和質(zhì)子交換膜(membrane)組成,其中GDL、CL和membrane共同組成膜電極組件(membrane electrode assembly, MEA)。本研究采用的幾何模型由Gambit建立,并用其完成網(wǎng)格劃分和對(duì)稱(chēng)等邊界條件的設(shè)置,將模型導(dǎo)入ANSYS中設(shè)置材料屬性,進(jìn)行壓縮并分析,單通道PEMFC模型如圖1所示。數(shù)學(xué)模型在模擬過(guò)程中的特征參數(shù)和基本運(yùn)行工況見(jiàn)表1。

圖1 單通道PEMFC模型Fig.1 Single-channel PEMFC model

表1 單通道PEMFC基本工況Table 1 Parameters of single-channel PEMFC

1.2 基本假設(shè)

對(duì)GDL在裝配壓力下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析,在模擬過(guò)程中作如下假設(shè):燃料電池的運(yùn)行為穩(wěn)態(tài);反應(yīng)氣體為氫氣和理想空氣;氣體通道中的水以水蒸氣的形式存在;流體的流動(dòng)方式為層流;GDL、CL和membrane都是各向同性的多孔介質(zhì);在裝配過(guò)程中GDL不發(fā)生位置移動(dòng)。

1.3 應(yīng)力應(yīng)變理論模型

研究三維單通道燃料電池模型應(yīng)力分布情況,需從靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)3個(gè)方面分析,以得到物體內(nèi)應(yīng)力分量與體力、面力分量之間的關(guān)系,應(yīng)變與位移之間的關(guān)系和應(yīng)變與應(yīng)力分量之間的關(guān)系,分別表示為以下3種方程[13]。

1)平衡微分方程

(1)

式(1)中:σx、σy、σz分別為不同方向的正應(yīng)力;X、Y、Z分別為在單位體積上的體積力。根據(jù)剪應(yīng)力互等定理,不同方向上的剪應(yīng)力滿(mǎn)足以下關(guān)系:

2)幾何方程

(2)

式(2)中:εx、εy、εz分別為不同方向的正應(yīng)變分量;εxy、εyz、εzx分別為相應(yīng)方向的剪應(yīng)變分量;u、v、w分別為x、y、z軸方向的位移分量。

3)物理方程

(3)

式(3)中:E為拉壓彈性模量;μ為側(cè)向收縮系數(shù),即泊松比。在完全彈性和各向同性的情況下，物理方程可表示為胡克定律。此外,根據(jù)剪切胡克定律,剪應(yīng)變與剪應(yīng)力也成正比,即

(4)

式(4)中:G為剪切彈性模量,

1.4GDL的傳輸方程

在裝配壓力的作用下,GDL的厚度會(huì)發(fā)生不同程度的形變,由于GDL為多孔介質(zhì),因此,必然會(huì)造成其內(nèi)部傳輸參數(shù)的變化,進(jìn)而影響電池的性能。所以,本研究將利用相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[14]對(duì)其孔隙率(ε)的變化進(jìn)行計(jì)算。

(5)

式(5)中:ε為GDL壓縮變形后的孔隙率;ε0為GDL的初始孔隙率;δ0為GDL的初始厚度,mm;δy為GDL壓縮變形后的厚度,mm。

2 結(jié)果與分析

本研究在模擬過(guò)程中假設(shè)裝配壓力在陰、陽(yáng)極2個(gè)表面均勻分布,陰、陽(yáng)極GDL的變形程度相同,GDL的孔隙率均勻,且在裝配過(guò)程中各組件不會(huì)發(fā)生移動(dòng)。

在ANSYS中對(duì)圖1所示模型進(jìn)行壓縮,壓力分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 MPa。由于BP、membrane和CL的彈性模量遠(yuǎn)大于GDL,且CL的厚度極薄,所以,壓縮變形主要體現(xiàn)在GDL上。圖2為不同裝配壓力下單通道GDL應(yīng)力的分布情況,以陽(yáng)極變形為例。

圖3為6種不同壓力下GDL頂部的變形情況。如圖3所示,在y軸方向,位于兩側(cè)脊部下方的GDL變形情況相似且變形明顯,并隨著裝配壓力的增大而不斷增大。當(dāng)裝配壓力為2.0 MPa時(shí),GDL的變形約為50%,而位于流道下方的GDL則幾乎沒(méi)有變化。在裝配壓力的作用下,GDL的變形將直接使脊部下方的擴(kuò)散通道減小。

GDL變形還會(huì)使得孔隙率發(fā)生變化。圖4為裝配壓力對(duì)GDL孔隙率和厚度的影響，在壓縮前,GDL的孔隙率為0.78,厚度為0.28 mm。如圖4所示,在給出的裝配壓力范圍內(nèi),GDL的厚度隨著裝配壓力的增大不斷減小。孔隙率的變化幅度則隨著裝配壓力的增大而不斷加大,在裝配壓力小于1.0 MPa時(shí),孔隙率的變化微乎其微;但當(dāng)裝配壓力超過(guò)2.0 MPa時(shí),孔隙率急劇下降;裝配壓力為3.0 MPa時(shí),孔隙率下降幅度超過(guò)50%,使得氣體傳輸性能大大降低。

圖5為GDL孔隙率和厚度之間的關(guān)系,其中,壓縮比為GDL壓縮的厚度與原始厚度的比值[15]。壓縮比隨著厚度的減小不斷增大。當(dāng)厚度變化較小時(shí),孔隙率出現(xiàn)輕微變化；而當(dāng)壓力不斷增加,厚度減小時(shí),孔隙率急速下降。

圖2 不同壓力下單通道GDL的變形云圖Fig.2 Deformation nephogram of single-channel PEMFC under different pressures

圖3 不同壓力下GDL的變形曲線圖Fig.3 Deformation curve of GDL under different pressures

圖4 不同裝配壓力對(duì)GDL孔隙率和厚度的影響Fig.4 Effects of different assembly pressures on the porosity and thickness of GDL

圖6所示為氣體擴(kuò)散層變形后橫向不同位置孔隙率的大小。由圖6可知,位于兩側(cè)脊部下方的孔隙率隨著裝配壓力的增大而減小,且減小幅度不斷增大。尤其是當(dāng)裝配壓力大于2.0 MPa時(shí),孔隙率急劇下降;而當(dāng)裝配壓力達(dá)到3.0 MPa時(shí),脊部下方的多孔介質(zhì)已基本上壓實(shí)為固體,因此很難對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行傳輸,以致極大地影響其傳輸性能。而流道下方的孔隙率則無(wú)明顯變化。孔隙率的變化趨勢(shì)與GDL頂部形變基本保持一致,說(shuō)明裝配壓力是影響多孔介質(zhì)孔隙率的直接原因。

圖5 氣體擴(kuò)散層孔隙率與厚度的關(guān)系Fig.5 Relationship between porosity and thickness of GDL

圖6 裝配壓力下氣體擴(kuò)散層橫向位置孔隙率Fig.6 Porosity of GDL at horizontal positions under assembly pressures

3 結(jié) 語(yǔ)

為研究不同裝配壓力對(duì)GDL的影響,建立了基于有限元分析法的單通道的PEMFC三維數(shù)值模型,分別研究不同裝配壓力下GDL的彈性形變和孔隙率的變化,并模擬出GDL頂部變形曲線。研究發(fā)現(xiàn),裝配壓力對(duì)GDL有較大的影響,隨著裝配壓力的增大,兩側(cè)脊部下方GDL的形變量越來(lái)越大,厚度不斷減小,孔隙率也越來(lái)越小,孔隙率減小的幅度也隨著壓力的增大而不斷增大。適當(dāng)增加裝配壓力,不僅有利于PEMFC的密封安裝,還可減小雙極板和GDL之間的接觸電阻,提高PEMFC工作效率;但若裝配壓力過(guò)大,孔隙率會(huì)大幅下降,則不利于反應(yīng)氣體傳輸,影響傳輸效率。因此,PEMFC的性能并非隨著裝配壓力的增大不斷提高,而是存在最佳裝配壓力使得燃料電池性能最優(yōu)：當(dāng)裝配壓力為1.5～2.0 MPa時(shí),GDL形變適中,有效地減小了接觸電阻,同時(shí)，孔隙率相比于原始孔隙率變化幅度不大,保持著良好的傳質(zhì)效果。在今后的研究工作中,筆者將進(jìn)一步探討裝配壓力與接觸電阻之間的關(guān)系,以深入研究裝配壓力對(duì)電池性能的影響。

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Study on effects of assembly pressures on the gas diffusion layer for proton exchange membrane fuel cell

JI Chena, HU Guilinb
(a. School of Biological and Chemical Engineering; b. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

In order to obtain the optimum assembly pressure during the assembly of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a three-dimensional single channel PEMFC model has been developed on the basis of finite element analysis (FEA) with a view to enhancing the performance of PEMFC and extending its service life. Through the model, the deformation and stress distribution of the gas diffusion layer (GDL) induced under different assembly pressures were studied,simulating the deformation curve of the top of GDL. It is concluded that the optimum assembly pressure is set in the range of 1.5 MPa to 2.0 MPa by combining the effects of different assembly pressures on the deformation and porosity of GDL with the variations of porosity in different positions after deformation of GDL.

proton exchange membrane fuel cell(PEMFC); gas diffusion layer(GDL); assembly pressures; numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.01.003

2016-12-19

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(R1100065)

胡桂林(1975— )，男，江西省南昌人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事燃料電池和多相流研究。E-mail:enehgl@163.com。

TM911.42

A

1671-8798(2017)01-0011-06