螺桿集成方式對(duì)燃料電池電化學(xué)性能的影響

張智明, 胡 淞， 施曉珺， 楊代軍

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車(chē)工程中心，上海 201804)

目前車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)核心是電堆，由上百個(gè)單體電池通過(guò)前后端板，采用螺桿將循環(huán)層疊結(jié)構(gòu)串聯(lián)集成在一起.電池單體典型結(jié)構(gòu)包括膜電極、雙極板和密封件，膜電極包括氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜和催化劑層.膜電極置于雙極板間組成一種“三明治”結(jié)構(gòu)，密封件為電堆提供氣密性保障，燃料電池的反應(yīng)氣體(氫氣/空氣)主要在雙極板流道傳輸，通過(guò)擴(kuò)散作用穿過(guò)氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng).為保證電堆的正常工作，需要提供足夠大的力將雙極板、密封膠和膜電極集成在一起，保證電堆內(nèi)單體電池間的緊密接觸，接觸界面存在于雙極板與膜電極之間，具體是雙極板脊背和膜電極上的氣體擴(kuò)散層發(fā)生接觸，電子通過(guò)接觸面?zhèn)鬟f，形成電流.因此，電堆是一種典型的“多接觸面的層疊結(jié)構(gòu)”，電堆集成力分配形式及大小會(huì)使接觸界面上受力和產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響燃料電池電化學(xué)性能.

目前，電堆集成工藝主要依賴經(jīng)驗(yàn)和手工集成，效率低且精度較差[1].電堆集成受力使雙極板脊背與擴(kuò)散層接觸面上壓力重新分布，主要基于2個(gè)原因：一是螺桿集成方式帶來(lái)的預(yù)緊受力不均，二是雙極板存在間隔分布的流場(chǎng)和脊背.接觸壓力大的部分在雙極板脊背下方，氣體擴(kuò)散層受壓導(dǎo)致脊背間距離縮短，電子傳輸路徑縮短，有利于電子傳輸；但同時(shí)擴(kuò)散層流道侵入量增大，影響流道內(nèi)反應(yīng)氣體的傳輸和擴(kuò)散，進(jìn)而影響燃料電池電化學(xué)性能.本文針對(duì)螺桿集成力施加形式和大小對(duì)燃料電池電化學(xué)性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)研究的方法，分析其影響規(guī)律.

Lee等[2]通過(guò)試驗(yàn)研究了單電池在不同螺桿力和氣體擴(kuò)散層對(duì)燃料電池電化學(xué)性能的影響以及密封件的相對(duì)螺桿位置對(duì)接觸壓力分布的影響.Lin等[3]利用壓敏紙可視化技術(shù)表征氣體擴(kuò)散層與雙極板間接觸壓力分布，進(jìn)而討論不同螺桿組態(tài)和螺桿力對(duì)燃料電池電化學(xué)性能的影響.Montanini等[4]利用Tekscan公司提供的I-Scan系統(tǒng)，借由1 936個(gè)成矩陣排列的壓感電阻組成的薄膜傳感器，準(zhǔn)確測(cè)量了單電池雙極板與擴(kuò)散層之間壓力分布情況，但其成本昂貴.Liu等[5]發(fā)展一種基于響應(yīng)面分析的研究方法，探討集成力和端板螺桿位置對(duì)接觸壓力分布的影響.Wang等[6]設(shè)計(jì)液壓集成端板提供均勻接觸壓力，與傳統(tǒng)螺桿集成結(jié)構(gòu)相比，燃料電池電化學(xué)性能有所提升.Bates等[7]建立了一個(gè)16片燃料電池堆3D有限元模型來(lái)預(yù)測(cè)電堆內(nèi)部接觸壓力分布，然而試驗(yàn)結(jié)果和模型預(yù)測(cè)結(jié)果存在偏差.

這些學(xué)者關(guān)于螺桿力對(duì)燃料電池電化學(xué)性能影響研究多集中在螺桿力本身，而由螺桿力及其引起的電堆內(nèi)部接觸壓力分布和接觸電阻對(duì)燃料電池電化學(xué)性能影響研究不足.本文以15片單電池組成的電堆，開(kāi)展燃料電池電化學(xué)性能試驗(yàn)、交流阻抗試驗(yàn)和感壓紙?jiān)囼?yàn)，測(cè)量質(zhì)子交換膜燃料電池堆在車(chē)用條件下(包含溫度、濕度、進(jìn)氣壓力等操作條件)螺桿集成力大小、不同施加形式對(duì)燃料電池電化學(xué)性能變化影響，借助極化曲線(I-V曲線)、交流阻抗曲線(EIS曲線)和接觸壓力分布，全面深入研究集成力對(duì)燃料電池電化學(xué)性能的影響，并深入剖析集成力對(duì)電化學(xué)性能的影響機(jī)理.

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)用電堆為同濟(jì)大學(xué)燃料電池實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有15片單電池的燃料電池電堆，MEA為日本戈?duì)柟旧a(chǎn)，所用石墨雙極板與膜電極尺寸為256 mm×256 mm.該電堆目前累計(jì)工作1 000 h左右，采用4個(gè)螺桿的點(diǎn)加載集成方式，均勻分布在電堆端板左右兩側(cè).為評(píng)估集成力對(duì)電堆電化學(xué)性能影響，在進(jìn)行電堆性能試驗(yàn)和接觸界面壓力分布測(cè)試之前，需要建立一定的集成力測(cè)量方法標(biāo)定現(xiàn)有電堆集成力的大小以及螺桿集成力與電堆接觸界面上接觸壓力的量化關(guān)系系數(shù).

1.1 電堆現(xiàn)有螺桿集成力的測(cè)量標(biāo)定

在試驗(yàn)之前，需預(yù)先得到實(shí)驗(yàn)室原有電堆集成力，從而與本次試驗(yàn)集成力對(duì)比以便評(píng)估該集成力是否滿足電堆性能最佳要求.

具體步驟如下：

(1) 電堆去除與其連接的管道以及傳感器，置于壓力機(jī)上，試驗(yàn)用壓力機(jī)如圖1所示.

(2) 壓力機(jī)操作調(diào)零.

(3) 操作壓力機(jī)下降，在顯示器恰好有示數(shù)變化時(shí)刻停止下降，并記錄顯示器示數(shù)f′.

(4) 松開(kāi)電堆上的所有集成預(yù)緊螺桿，在松開(kāi)的過(guò)程中顯示器示數(shù)不斷上升，最終保持f不變，表明螺桿完全松開(kāi).

(5)f-f′即為原有電堆集成力，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得為2 638 N(去除儀器誤差，可近似為2 600 N).

圖1 試驗(yàn)用電堆集成壓力機(jī)Fig.1 Clamping fuel cell stack and assemblycompression machine

1.2 集成力-扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)

試驗(yàn)中采用預(yù)置式扭矩扳手僅能測(cè)出每個(gè)螺桿的扭矩，而無(wú)法得到電堆集成力.因此，試驗(yàn)前預(yù)先測(cè)得壓力-扭矩之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)Kt，以便通過(guò)扭矩得到施加在燃料電池電堆端板上的螺桿合力.定義集成力-扭矩轉(zhuǎn)換公式為

T=KtFd

(1)

式中：T為螺桿集成扭矩大小；Kt為壓力-扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)，該系數(shù)與螺栓-螺桿結(jié)構(gòu)的材料、摩擦有關(guān)；F為單個(gè)螺桿集成力；d為螺桿直徑.結(jié)合式(1)，Kt試驗(yàn)測(cè)量計(jì)算方法如下：

(1) 在4螺桿組態(tài)下電堆每個(gè)螺桿上施加轉(zhuǎn)矩大小為T(mén)1.

(3) 代入式(1)，得到Kt1.

(4) 施加不同大小的扭矩T2、T3，重復(fù)上述步驟，得到Kt2、Kt3.

2 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)康模孩偻ㄟ^(guò)感壓紙?jiān)囼?yàn)測(cè)試螺桿集成條件下電堆內(nèi)雙極板和擴(kuò)散層間的壓力分布隨螺桿集成力的變化；②通過(guò)燃料電池電化學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)一步分析在不同螺桿集成力大小、不同組態(tài)形式下燃料電池電堆的極化特性曲線變化規(guī)律；③通過(guò)燃料電池交流阻抗試驗(yàn)進(jìn)一步分析在不同螺桿集成力大小、不同壓力形式作用下燃料電池接觸電阻的變化規(guī)律.綜合分析不同集成力對(duì)接觸電阻、接觸壓力乃至對(duì)燃料電池電化學(xué)性能影響機(jī)理.

2.1 燃料電池電化學(xué)性能測(cè)試-極化特性曲線

極化特性曲線也稱伏安曲線，通過(guò)測(cè)試電池在不同外界負(fù)載條件下電流與電壓間的關(guān)系來(lái)考察電池的對(duì)外放電能力的曲線，是對(duì)燃料電池電化學(xué)性能進(jìn)行表征的一項(xiàng)重要手段[8].

使用的電堆由15片單電池組成，內(nèi)置絕緣板、緩沖板等部件，電堆組裝如圖2所示.

圖2 電堆電化學(xué)性能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Assembly stack’s electrochemica performancetesting scene

燃料電池電化學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)為加拿大綠光G500系列(greenlight G500 test station)，由氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，該平臺(tái)不僅可以精確測(cè)量和控制電堆運(yùn)行的參數(shù)如溫度、濕度、進(jìn)氣壓力和流量等，還可以通過(guò)平臺(tái)內(nèi)置電子負(fù)載控制電堆的工作電流，模擬車(chē)載工況.電堆具體運(yùn)行條件設(shè)置如表1，表中，A為陽(yáng)極，C為陰極.

表1 電堆運(yùn)行的設(shè)定條件Tab.1 Operation condition of fuel cell stack

2.2 EIS測(cè)試-交流阻抗曲線

V-I極化特性曲線反映燃料電池的電化學(xué)性能，該測(cè)試方法是一種直流響應(yīng)，其結(jié)果是幾個(gè)獨(dú)立因素的綜合結(jié)果，不能提供電堆內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)信息.EIS曲線測(cè)試是區(qū)分不同電壓損耗最常用的技術(shù)，通過(guò)對(duì)電堆的EIS進(jìn)行測(cè)量和分析，可以得到燃料電池的電化學(xué)極化電阻、歐姆極化電阻和濃度極化電阻等數(shù)據(jù)[9].

交流阻抗譜也稱電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy)，是一種用于研究電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、電極表面現(xiàn)象以及測(cè)定固體電解質(zhì)電導(dǎo)率的電化學(xué)測(cè)量方法.其原理是把系統(tǒng)想象成黑匣子，在待測(cè)試樣兩端施加一個(gè)小幅交流振蕩的電壓或電流信號(hào)，通過(guò)觀察試樣的阻抗隨頻率的變化來(lái)對(duì)試樣的電化學(xué)性能進(jìn)行表征.

對(duì)于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，施加外部激勵(lì)電流信號(hào)可以為

i(t)=Icos(2πf+ψ)

(2)

式中：I為電流幅值；ψ為初始相位角；f為信號(hào)頻率.獲得的電壓相應(yīng)信號(hào)為

u(t)=Ucos(2πf+φ)

(3)

式中：U為電壓幅值；φ為相位角.令φ=ψ-φ，則不同頻率下的阻抗函數(shù)可表示為

Z(jw)=u(t)/i(t)=|Z(jw)|cosφ+

j|Z(jw)|sinφ=Z′(w)+jZ″(w)

(4)

式中：|Z(jw)|為函數(shù)模值；φ為函數(shù)相位角.

作出以其實(shí)部作為橫坐標(biāo)、虛部作為縱坐標(biāo)的Nyqusit圖，可以得到不同交流信號(hào)頻率下阻抗值分布圖.理論上標(biāo)準(zhǔn)燃料電池EIS曲線包含歐姆、陽(yáng)極和陰極活化、質(zhì)量傳輸?shù)葞撞糠謸p耗和阻抗.但是實(shí)際情況下，燃料電池的陽(yáng)極活化損耗弧線非常小，常被陰極活化損耗弧線遮蓋，最終呈現(xiàn)如圖3所示的情況.

由于燃料電池是典型的電化學(xué)反應(yīng)非線性系統(tǒng)，EIS是分析其內(nèi)部復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程的有力工具，近年來(lái)被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于對(duì)燃料電池的內(nèi)部參數(shù)測(cè)定、性能評(píng)估與檢測(cè)、結(jié)構(gòu)與運(yùn)行條件優(yōu)化及基于電化學(xué)參數(shù)的建模與控制等方面的研究.

EIS測(cè)試采用日本菊水電子工業(yè)株式會(huì)社Kikusui-KFM2150燃料電池阻抗測(cè)試儀(KikusuiKEM2150 system fuel cell scanne)與其制造的電子負(fù)載裝置PLZ-4W系列集成，按照燃料電池的輸出容量搭建阻抗測(cè)試系統(tǒng)，可測(cè)試10 mHz至20 kHz的阻抗.電堆在阻抗測(cè)試時(shí)工作電流密度為200 mA·cm-2，交流干擾電流密度為20 mA·cm-2，干擾電流頻率范圍為10 kHz至100 mHz，其他測(cè)試條件不變，設(shè)備連接如圖4所示.

圖3 實(shí)際EIS曲線Fig.3 Actual EIS curve

圖4 EIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.4 EIS testing equipment structure

2.3 壓力分布測(cè)試界面壓力可視化技術(shù)

感壓紙測(cè)試試驗(yàn)采用富士FUJI-FILM I&I Imaging & information(ultra super low pressure)系列雙片式[10].其構(gòu)造如圖5.當(dāng)感壓紙受壓，微粒色球會(huì)破裂和顏色劑材料作用后產(chǎn)生顏色，透過(guò)微粒分子控制(particle size control)技術(shù)，可用來(lái)感應(yīng)不同大小的壓力與分布.由于試驗(yàn)電堆較小，加載的集成力小，估計(jì)壓強(qiáng)后選取富士LLLW型號(hào)感壓紙，此型號(hào)感壓紙可以顯示0.2～0.5 MPa大小的壓強(qiáng).試驗(yàn)后，將感壓紙取出，根據(jù)顏色的深淺可以粗略判別界面接觸壓力的大小和接觸壓力的分布.

圖5 感壓軟片構(gòu)造Fig.5 Ultra pressure testing film structure

電堆采用螺桿集成方式，使用預(yù)置式扭矩扳手，對(duì)角鎖緊，通過(guò)測(cè)量和控制兩端板間距保證組裝力的一致性和均勻性.螺孔組態(tài)位置、螺桿鎖緊順序如圖6所示，每個(gè)螺桿旋轉(zhuǎn)1/8圈，螺桿選用M8×1.25，設(shè)定為4、8孔螺桿組態(tài)，4孔螺桿鎖緊順序?yàn)?至4,8孔螺桿鎖緊順序?yàn)?至8.扭矩-集成合力對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示.

a 螺孔位置(單位：mm)

b 螺桿鎖緊順序圖6 螺孔位置與鎖緊順序Fig.6 Bolt position and locking order表2 不同集成合力與扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)的關(guān)系Tab.2 Transfer factor of different assemble forceand torque

集成合力/N單個(gè)扭矩/(N·m)4螺桿8螺桿20006.73.426008.14.1300010.05.038001)6.4

注:1)3 800 N的試驗(yàn)數(shù)值沒(méi)有進(jìn)行4螺桿測(cè)試，因?yàn)樵谶M(jìn)行8螺桿測(cè)試時(shí)，螺桿已經(jīng)很緊，若采用4螺桿可能對(duì)燃料電池膜電極產(chǎn)生破壞.

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 極化曲線測(cè)試結(jié)果

該試驗(yàn)針對(duì)4、8螺桿集成合力為2 000 N、3 000 N、3 800 N三種的燃料電池電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試.并提取在進(jìn)行本試驗(yàn)之前最近一次性能測(cè)試結(jié)果，即合力為2 600 N時(shí)的8螺桿燃料電池電化學(xué)性能曲線.結(jié)果如圖7、圖8.由圖7a可見(jiàn)，2 000 N、4螺桿電壓值低于3 000 N、4螺桿，圖7b可見(jiàn)，2 000 N、8螺桿電壓值低于2 600 N、8螺桿，2 600 N、8螺桿電壓值低于3 000 N、8螺桿.圖7b中，高電流密度區(qū)域3 800 N、8螺桿電壓值低于3 000 N、8螺桿，甚至在電流密度為920 mA·cm-2時(shí)低于2 600 N、8螺桿.圖8a和圖8b中，在相同集成力下，8螺桿組態(tài)集成電堆電壓高于4螺桿組態(tài)集成電堆電壓.

a 4螺桿組態(tài)

b 8螺桿組態(tài)圖7 不同集成力的電化學(xué)性能曲線Fig.7 Electrochemical performance curve of differentassembly force

3.2 交流阻抗試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在EIS測(cè)試結(jié)束后，原始數(shù)據(jù)不便于直接分析，導(dǎo)入Zsimpwin(EG&G)阻抗分析軟件進(jìn)行擬合處理.交流阻抗譜的等效電路模型采用R(QR(OR))，如圖9所示.利用Zsimpwin的View Results功能，求得擬合后各原件的阻值，擬合結(jié)果列于表3.

a 2 000 N集成力

b 3 000 N集成力圖8 不同螺桿集成力下的電化學(xué)性能曲線

Fig.8Electrochemicalperformancecurveofdifferentboltsassemblyforce

圖9 燃料電池電堆等效電路Fig.9 Equivalent circuit diagram of fuel cell stack表3 電堆等效電路圖擬合參數(shù)值Tab.3 Equivalent circuit diagram fitting parametervalue of fuel cell stack

形式R1/(Ω·cm2)ZQsn/(10-4Ω-1·cm-2)nR2/(Ω·cm2)O/(Ω·cm2)R3/(Ω·cm2)2000N、4螺桿5.7922.7680.88191.871×1070.0577730.543000N、4螺桿5.0553.1090.87213.865×1060.0016895.222000N、8螺桿5.6463.5350.84514.841×1050.0813029.283000N、8螺桿4.3152.9170.88993.809×1060.0019580.993800N、8螺桿4.4423.6640.85286.211×1060.0698332.59

圖9中，R1為系統(tǒng)的歐姆阻抗，主要反映電荷轉(zhuǎn)移至外電路的難易程度，其值與電流密度無(wú)關(guān)，包括電解質(zhì)的離子電阻、電解質(zhì)與電極的接觸電阻，以及電極、電流收集層和電極引線的電子電阻.Q為常相位角元件，其阻抗為ZQ=(jw)-n/Y0=s-n/Y0,參數(shù)n為量綱一化的指數(shù)，n=1，Q相當(dāng)于理想電容C；n=0，Q相當(dāng)于純電阻R；n=-1，Q相當(dāng)于電感L.電阻R2由于阻值過(guò)大，在并聯(lián)的等效電路中可忽略不計(jì).R3為法拉第阻抗，反映了電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性，影響R3的主要因素是電極表面的反應(yīng)環(huán)境和反應(yīng)氣在催化層附近的活躍度.O為有限擴(kuò)散阻抗，反映燃料氣體在電堆中的質(zhì)量傳輸阻抗.

圖10為Zsimpwin在2 000 N、8螺桿時(shí)的擬合示例，叉點(diǎn)為試驗(yàn)源數(shù)據(jù)，直線為擬合值，一致程度較高，故等效電路R(QR(OR))可取.不同螺桿、不同集成力的交流阻抗試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.

圖10 2 000 N、8螺桿的Zsimpwin擬合曲線Fig.10 Zsimpwin fitting curve of 2 000 N、8 bolts

a 4螺桿

b 8螺桿

c 2 000 N時(shí)4螺桿與8螺桿

d 3 000 N時(shí)4螺桿與8螺桿

圖11EIS曲線

Fig.11EISfittingcurve

結(jié)合表3數(shù)據(jù)以及擬合后的EIS曲線，由圖11a可見(jiàn)，在4螺桿集成組態(tài)下，當(dāng)集成力從2 000 N上升到3 000 N時(shí)，R1減小0.737 Ω·cm2；有限擴(kuò)散阻抗明顯下降；圖11b中，在8螺桿集成組態(tài)形式下，當(dāng)集成力從2 000 N上升到3 000 N時(shí)，電堆歐姆阻抗值R1減小1.331 Ω·cm2，減小的幅度大于4螺桿集成組態(tài)形式，同時(shí)有限擴(kuò)散阻抗明顯下降；但當(dāng)集成力繼續(xù)上升至3 800 N時(shí)，R1略有上升，上升值為0.127 Ω·cm2，但是反應(yīng)傳輸阻力的有限擴(kuò)散阻抗值升高明顯；圖11c和圖11d中，在相同集成力下，8螺桿的各部分阻抗小于4螺桿.

3.3 電堆壓力分布測(cè)試結(jié)果

3.3.1電堆內(nèi)接觸應(yīng)力分布

將感壓紙裁剪至略大于膜電極有效面積，置于電堆中第7片膜電極及其接觸的雙極板間，電堆集成力分別為2 000 N、3 000 N和3 800 N，8螺桿組態(tài)施加相應(yīng)的扭矩值由表2所得，靜置10 min，然后取出壓感片，結(jié)果如圖12所示.

a 2 000 N

b 3 000 N

c 3 800 N圖12 8螺桿集成電堆中間壓力分布Fig.12 Middle pressure distribution of fuel cell stack with 8 bolts

從圖12可見(jiàn)，密封件所處位置的感壓紙顏色較深且清晰，且隨著集成力增加，密封件位置的感壓紙顏色加深，而感壓紙中間顏色很淺.其原因是：雙極板流道區(qū)域沒(méi)有接觸到膜電極而呈現(xiàn)淺色，對(duì)于脊背區(qū)域呈淺色部分是由于接觸壓力低于壓感紙的敏感度(0.2 MPa).而且隨著集成力增加，靠近螺桿的四周接觸壓力明顯增大，形成局部壓力集中區(qū)域.螺桿力的點(diǎn)加載集成方式容易造成流場(chǎng)接觸面間壓力分布不均，局部壓力大.對(duì)比圖12中情況，集成力為3 000 N時(shí)，流場(chǎng)接觸面接觸均勻度優(yōu)于2 000 N時(shí)；集成力為3 800 N時(shí)，流場(chǎng)接觸面的接觸壓力均勻度下降，低于3 000 N時(shí).接觸壓力分布存在不對(duì)稱現(xiàn)象，2 000 N時(shí)的壓感片表現(xiàn)得最為明顯.

為對(duì)上述結(jié)論進(jìn)一步解釋，針對(duì)端板間的高度進(jìn)行了測(cè)量，上端板具體結(jié)構(gòu)如圖13所示.

a正面b反面

圖13電堆上端板具體結(jié)構(gòu)

Fig.13Structureoffuelcellstacktopendplate

上端板為環(huán)氧樹(shù)脂材料，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其上除有8個(gè)螺桿孔外，還有載荷連接孔、定位孔等，端板厚度為20 mm，背面有11 mm深的凹槽，用來(lái)安裝緩沖塊等，整體結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較差.在螺桿施加扭矩之后，左右邊由于8個(gè)螺桿的均勻分布，上下端板的距離基本保持一致，而上下邊由于只有頂角的4個(gè)螺桿，變形明顯，有圓弧凹槽的地方由于應(yīng)力集中，在3 000 N集成力時(shí)比4個(gè)頂角高1 mm，總集成力上升至3 800 N，高度差更明顯.即端板在受壓時(shí)中間略微鼓起，4個(gè)角下沉，且隨著壓力的越大，端板的變形越明顯，這種現(xiàn)象也越明顯.所以會(huì)產(chǎn)生3 800 N、8螺桿時(shí)第7、8片雙極板間的壓力分布均勻性反而劣于3 000 N、8螺桿時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果.

接著進(jìn)行4螺桿和8螺桿在相同集成力下接觸壓力分布對(duì)比，如圖14和15所示.

a4螺桿b8螺桿

圖142000N時(shí)螺桿電堆中間壓力分布

Fig.14Middlepressuredistributionoffuelcellstackwith2000N

a4螺桿b8螺桿

圖153000N時(shí)螺桿電堆中間壓力分布

Fig.15Middlepressuredistributionoffuelcellstackwith3000N

從圖14和15中可以看出,8螺桿的壓力分布相對(duì)優(yōu)于4螺桿，在集成合力2 000 N下，8螺桿相比4螺桿，壓力分布改善不明顯.在集成合力3 000 N下，8螺桿相比4螺桿時(shí)壓力分布改善明顯.

3.3.2單片燃料電池壓力分布

為了使壓感軟片效果明顯，使用單片燃料電池再次進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)可將結(jié)果推廣到燃料電池電堆上，將壓感片置于2塊雙極板之間，施加上集成力為3 000 N及3 800 N相應(yīng)的扭矩，靜置5 min，然后取出感壓軟片，如16所示.

a3000Nb3800N

圖168螺桿燃料電池中間壓力分布

Fig.16Middlepressuredistributionoffuelcellstackwith8bolts

從圖16中可以看出，邊框的顏色較深且清晰，中間右側(cè)顏色淺，3 800 N、8螺桿相比于3 000 N、8螺桿,接觸部分顏色加深，接觸部分面積增加，但右側(cè)仍然呈現(xiàn)大片空白.現(xiàn)象產(chǎn)生原因如下:對(duì)試驗(yàn)各端板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)上端板上表面存在傾斜，即上端板左右高度存在0.5 mm偏差，致使左右受力不均，造成內(nèi)部剛度較差的緩沖板產(chǎn)生了厚度方向上的變形.因此，可以看出電堆內(nèi)部壓力分布與螺桿集成力施加方式和端板結(jié)構(gòu)都有關(guān)系.

可以看出，目前螺桿集成力的施加方式不利于電堆內(nèi)部壓力分布一致性，也損害電堆電化學(xué)性能的輸出，因此，后續(xù)為提高燃料電池內(nèi)部壓力分布一致性，提高燃料電池電化學(xué)性能輸出，應(yīng)改變螺桿集成力施加方式，改為面加載力的電堆集成設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)配合端板結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提升電堆電化學(xué)功率輸出.

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 接觸壓力分布確實(shí)會(huì)對(duì)燃料電池電堆性能產(chǎn)生影響，壓力分布越均勻性能越優(yōu)，8螺桿大于4螺桿.

(2) 在螺桿的“點(diǎn)加載”集成力作用下，端板容易發(fā)生變形，試驗(yàn)中感壓紙上顯示接觸壓力分布不均，燃料電池電化學(xué)性能下降.

針對(duì)“點(diǎn)加載”的集成受力問(wèn)題，可以采取如下3種改進(jìn)方案提高電堆內(nèi)部接觸壓力均勻性：

(1) 優(yōu)化端板結(jié)構(gòu)，如增加厚度、采用抗彎強(qiáng)度高的材料，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),減少由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜所帶來(lái)的應(yīng)力集中.

(2) 將端板預(yù)先制造一個(gè)上翹弧度，這樣在電堆集成受力后端板變形小，受壓接觸均勻性變好.

(3) 采用“面加載”捆綁電堆集成方式代替“點(diǎn)加載”螺桿的緊固集成方式.

參考文獻(xiàn):

[1] 干頻, 劉冬安, 馮力中,等. 金屬極板燃料電池電堆接觸壓力的分布規(guī)律[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2010, 25(5): 134.

GAN Pin, LIU Dong’an, FENG Lizhong,etal. Research on influence of assembly process on pressure distribution of PEMFC stack[J]. Machine Design and Research, 2010, 25(5):134.

[2] LEE W K, HO C H, VAN ZEE J W,etal. The effects of compression and gas diffusion layers on the performance of a PEM fuel cell[J]. Journal of Power Sources, 1999, 84(1): 45.

[3] WEN C Y, LIN Y S, LU C H. Experimental study of clamping effects on the performances of a single proton exchange membrane fuel cell and a 10-cell stack[J]. Journal of Power Sources, 2009, 192(2): 475.

[4] MONTANINI R, SQUADRITO G, GIACOPPO G. Measurement of the clamping pressure distribution in polymer electrolyte fuel cells using piezoresistive sensor arrays and digital image correlation techniques[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(20): 8484.

[5] LIU D A , LAI X M, NI J,etal. Robust design of assembly parameters on membrane electrode assembly pressure distribution[J]. Journal of Power Sources, 2007, 172(2): 760.

[6] WANG X, SONG Y, ZHANG B. Experimental study on clamping pressure distribution in PEM fuel cell[J]. Journal of Power Sources, 2008, 179(1): 305.

[7] BATES A, MUKHERJEE S T, HWANG S W. Simulation and experimental analysis of the clamping pressure distribution in a PEM fuel cell stack[J]. Internaional Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(15): 6481.

[8] 范寶安, 劉祥麗, 朱慶山. 伏安曲線擬合法研究燃料電池的極化阻力[J]. 電源技術(shù)研究與設(shè)計(jì), 2009, 33(12): 1072.

FAN Bao’an, LIU Xiangli, ZHU Qingshan. Investigation of polarization resistance of fuel cells by fitting current-voltage curves[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2009, 33(12):1072.

[9] O’HAYRE R, CHA S W, COLELLA W, 等. 王曉紅,譯. 燃料電池基礎(chǔ)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

O’HAYRE R,CHA S W,COLELLA W,etal. Translated by WANG Xiaohong. Fuel cell fundamentals[M].Beijing: Electronic Industry Press,2007.

[10] LIGGINS A B. The practical application of Fuji prescale pressure-sensitive film[M]. [S.l.]: Springer US, 1997.