氫燃料電池堆封裝研究現(xiàn)狀

秦 飛， 郭朋彥，2， 張瑞珠， 冉 朝， 任 赟

（1.華北水利水電大學(xué)， 河南 鄭州 450045；2.河南省新能源車輛熱流電化學(xué)系統(tǒng)國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450045）

隨著環(huán)境污染、 能源危機(jī)的不斷加劇， 習(xí)總書記先后提出了 “兩山論”、 “雙碳目標(biāo)” 和 “大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)” 等論斷； 氫能這一清潔無污染的人類社會 “終極能源”被認(rèn)為是解決環(huán)境與能源問題的必由之路。

氫能作為一種二次能源不僅有著豐富儲量和廣泛來源，而且可以促進(jìn)多種一次能源的發(fā)展和利用。 以氫為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC） 具有噪聲低、 啟動快、 功率密度高、 無電解液腐蝕、 清潔無碳無污染、 能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是最有希望替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車動力源， 其還可應(yīng)用于分布式發(fā)電裝置、 軍事裝備、 固定式發(fā)電站等。 所以， PEMFC極具發(fā)展?jié)摿Γ?大力推動其核心技術(shù)的發(fā)展可以有效改善我國能源結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn) “能源自主、 可控”， 對我國的環(huán)境、 經(jīng)濟(jì)、 社會、 發(fā)展都具有重大意義。

成本和壽命是PEMFC面臨的兩大問題。 優(yōu)異的電堆裝配方案可以降低燃料電池成本， 提高電池壽命和發(fā)電性能。本文結(jié)合機(jī)械、 電化學(xué)、 流體力學(xué)、 動力學(xué)等知識， 介紹燃料電池電堆工作原理和電堆結(jié)構(gòu)組成； 分析氫燃料電池堆封裝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 討論封裝過程中的電堆性能變化，進(jìn)而對電堆封裝面臨的問題進(jìn)行解析， 并提出相應(yīng)對策。

1 燃料電池電堆組成及其工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池作為第5代燃料電池， 其由單電池 （Cell）、 端板 （EP）、 絕緣板 （IP）、 集電板 （CP） 和密封墊圈 （Sealant） 及緊固件組成， 如圖1所示。

圖1 PEMFC電堆結(jié)構(gòu)示意圖

PEMFC的單電池可分為3部分： 陰極 （Cathode）、 陽極（Anode）、 膜電極 （MEA）， 是由雙極板 （BP）、 氣體擴(kuò)散層 （GDL）、 催化層 （CL）、 質(zhì)子交換膜 （PEM） 等零件構(gòu)成， 如圖2所示。 其中， 雙極板是由陽極單板和陰極單板焊接或膠粘組成， 雙極板是電堆的骨架， 雙極板在電堆中起著支撐膜電極、 收集電流、 提供反應(yīng)氣/冷卻液通道、 分隔氫氣和空氣的作用。

圖2 單電池結(jié)構(gòu)示意圖

膜電極由2層擴(kuò)散層、 2層催化層和交換膜 “五合一”構(gòu)成。 擴(kuò)散層是由碳紙和微孔層構(gòu)成， 不但為反應(yīng)氣體和生成物提供擴(kuò)散通道， 還為催化層提供載體和支撐電極，擴(kuò)散層對電堆的排水性能有著重要影響， 其受到本身孔隙度、 厚度及接觸角影響。 催化層是以炭黑和鉑為原料， 經(jīng)過粘合劑Nafion或PTFE黏結(jié)形成Pt/C顆粒的團(tuán)聚物之后， 依附于擴(kuò)散層上， 厚度很薄， 是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所。 質(zhì)子交換膜是PEMFC工作的基礎(chǔ)， 單電池最為核心的組件，質(zhì)子膜隔開了氧化劑和還原劑， 傳遞質(zhì)子 （氫離子） 和水分子到達(dá)陰極， 但阻隔電子的通過， 所以質(zhì)子交換膜應(yīng)具有高質(zhì)子電導(dǎo)率、 優(yōu)良的電子絕緣性能、 高穩(wěn)定性和低氣體透過率。

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過程相當(dāng)于是水電解的逆過程， 陽極為還原劑 （氫氣） 的氧化反應(yīng)， 陰極為氧化劑（氧氣） 的還原反應(yīng)。 在工作時(shí)， 氫氣釋放電子通過外電路負(fù)載再到達(dá)陰極， 質(zhì)子則通過電解質(zhì)薄膜到達(dá)陰極， 從而形成閉合回路。 所以理論上只要燃料充足， 燃料電池電堆就可以源源不斷地向外負(fù)載輸送電流， 如圖3所示。

圖3 PEMFC工作原理示意圖

電堆運(yùn)行時(shí)， 由外部供氫系統(tǒng)將氫氣輸送至陽極一側(cè)，氫氣進(jìn)入陽極單板流場流道內(nèi)， 再擴(kuò)散入陽極擴(kuò)散層及催化層。 在催化層催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)， 氫氣分子分解產(chǎn)生氫離子 （H） 和電子 （e）。 陽極反應(yīng)式為：

陽極產(chǎn)生的H通過水合作用穿過質(zhì)子膜到達(dá)陰極催化層， 電子沿陽極擴(kuò)散層、 陽極單板、 外電路、 陰極單板、陰極擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化層。 陰極一側(cè)供給的純氧或空氣中的氧氣， 同理進(jìn)入陰極單板流場流道， 再擴(kuò)散入陰極擴(kuò)散層和催化層。 氧氣分子、 陽極輸送至陰極催化層的H、電子在催化劑作用下發(fā)生還原反應(yīng)生成水。 陰極反應(yīng)式為：

PEMFC 反應(yīng)中不僅產(chǎn)生電能， 還會釋放部分廢熱，PEMFC總反應(yīng)式為：

2 燃料電池電堆封裝研究現(xiàn)狀

在實(shí)際應(yīng)用場合中， PEMFC電堆由若干個組件串聯(lián)裝配起來， 每個組件的制造誤差和裝配誤差在裝配時(shí)都會進(jìn)行累積， 對電堆總誤差造成影響， 進(jìn)而降低電堆性能， 因而電堆封裝的工藝決定了電堆性能和成本。 對此國內(nèi)外專家學(xué)者開展了系列研究， PEMFC電堆在封裝載荷的作用下，電堆工作涉及到反應(yīng)氣輸送、 多相轉(zhuǎn)化、 載荷傳遞、 溫度交換、 電化學(xué)反應(yīng)等諸多因素， 再加上封裝載荷會使雙極板、 膜電極、 密封墊圈的結(jié)構(gòu)性能發(fā)生改變， 所以電堆的封裝十分復(fù)雜。

2.1 電堆封裝國外研究現(xiàn)狀

電堆封裝研究大多采用仿真模擬的方法， 原因是受限于電堆成本高昂， 電堆組件的裝配對安裝精度、 裝夾力、環(huán)境溫度都有要求， 需要進(jìn)行多組試驗(yàn)， 這都極大地增加了成本。

Zhang等研究了PEMFC裝配過程和工作條件下的應(yīng)力響應(yīng)和接觸行為， 討論了夾緊力、 鋼帶數(shù)量和寬度對PEMFC力學(xué)性能的影響， 結(jié)果表明： 多節(jié)單電池組裝后的應(yīng)力分布更加均勻， 組裝后單節(jié)單電池和多節(jié)單電池的應(yīng)力和接觸壓力分布相似。 Uzundurukan 等研究了壓縮方法對PEMFC性能的影響， 通過三維有限元模擬PEMFC內(nèi)組件的總變形， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 螺栓壓縮電堆最大功率密度達(dá)到0.458W/cm， 夾板壓縮為0.480W/cm， 且螺栓壓縮比夾板壓縮具有更高的變形和更少的等效應(yīng)力。

接觸電阻受幾個機(jī)械參數(shù)的影響， 如夾緊壓力、 GDL的孔隙率及2個組件GDL和BPP的尺寸等。 Ouaidat等建立了機(jī)械模型和機(jī)械-電氣耦合模型兩種分析模型。 基于機(jī)械模型分析計(jì)算接觸電阻， 研究GDL的孔隙率、 雙極板的翹曲和GDL的厚度對接觸壓力的影響， 發(fā)現(xiàn)數(shù)值結(jié)果與參考實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在良好的相關(guān)性。 Kleemann研究了PEMFC的GDL局部壓縮分布及對接觸電阻的影響， 結(jié)果表明： 具有寬流道流場的極板極化差異更加明顯； 在高載荷下， 會發(fā)生壓縮、 電效應(yīng)、 熱量和質(zhì)量傳輸效應(yīng)的相互作用。

Majlan等研究了PEMFC電堆組件幾何參數(shù)對電堆變形的影響， 結(jié)果表明： PEMFC電堆中電池間的變形沒有顯著差異， 但是沿著封裝方向的壓力分布發(fā)生了變化。 Rao等采用單個透明PEMFC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 如圖4所示， 討論了施加在螺栓上的扭矩對燃料電池性能的影響， 結(jié)果表明： 隨著螺栓扭矩增加， 燃料電池的性能先增加到最大值， 然后下降。

圖4 透明單體PEM燃料電池

Chung通過分析化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、 冷卻水對流和施加在端板上的裝配力作用下的電堆結(jié)構(gòu)變化， 結(jié)果表明：燃料電池堆內(nèi)的溫度分布不均勻， 電池中存在較高的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力， 這將導(dǎo)致燃料電池堆的失效， 尤其是使用石墨極板時(shí)。 Liu通過改變膜電極組件 （MEA）、 墊片間的夾緊力和厚度差來提高PEMFC電堆的可靠性， 并分析了接觸應(yīng)力對元件可靠性的影響， 結(jié)果表明： 接觸應(yīng)力是影響電堆可靠性的重要參數(shù)， 最佳的接觸應(yīng)力取決于堆疊組件的機(jī)械和電氣特性。 Alizadeh等設(shè)計(jì)了帶有新型夾持機(jī)構(gòu)的PEMFC來研究膜電極活性區(qū)域的接觸壓力分布， 夾緊壓力以氣動方式施加在電池組件上， 通過對比發(fā)現(xiàn)， 新型夾緊機(jī)構(gòu)的MEA接觸壓力分布比傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)更均勻。 Liu等為了研究電堆的振動響應(yīng)， 基于有限元方法進(jìn)行了模態(tài)分析， 研究發(fā)現(xiàn)： 在總夾緊力不變的情況下， 增加螺栓數(shù)量可以增強(qiáng)夾緊方向的疊層抗振能力， 但不能明顯增強(qiáng)垂直于夾緊方向平面的疊層抗振能力。

2.2 電堆封裝國內(nèi)研究現(xiàn)狀

有關(guān)電堆封裝技術(shù)近年來國內(nèi)同樣也開展了相關(guān)研究。周平研究了電堆封裝載荷對氣體擴(kuò)散層性能的影響， 在使用石墨雙極板時(shí)， 封裝載荷的增加和流道脊寬的增加可以降低電堆的接觸電阻； 使用金屬雙極板時(shí)， 脊寬增加造成接觸電阻上升， 但是使用兩種極板都會使擴(kuò)散層孔隙度降低。 干頻等為探究金屬雙極板PEMFC各組件間的接觸壓力分布和傳遞規(guī)律， 建立了一個3電池的電堆模型進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)； 對比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到， 組件接觸壓力分布趨勢一致， 且呈現(xiàn)中間接觸壓力小、 四周接觸壓力大。

殷駿等開發(fā)了一種將雙極板和膜電極粘合一體化的密封單電池模型， 以提升PEMFC機(jī)械性能， 減低損傷， 仿真結(jié)果表明： 當(dāng)脊下平均壓力為0.6～1.2MPa時(shí)， 采用一體密封單電池活性區(qū)邊緣平均變形量比線密封降低67.52%～80.73%。 曹愛紅等建立8 條蛇形流道PEMFC模型以研究封裝壓力對電堆性能的影響， 如圖5所示， 結(jié)果表明： 在封裝力為0.1～1.0MPa之間，接觸電阻下降； 封裝力1.0～5.0MPa 時(shí)， 接觸電阻基本保持不變， 最佳裝配力為1.0MPa。

圖5 8條流道蛇形流場PEMFC

劉羽等為研究電堆組件裝配時(shí)產(chǎn)生的誤差對電堆接觸電阻的影響， 建立力學(xué)仿真模型， 結(jié)果表明： 各個組件中金屬雙極板的制造誤差對電堆的接觸電阻影響最大。 岑波等研究電堆在汽車行駛過程中所受到的沖擊和擠壓機(jī)理時(shí)， 通過掃頻實(shí)驗(yàn)和模擬仿真結(jié)果對比， 發(fā)現(xiàn)電堆箱體在受到碰撞時(shí)， 模型可以很好預(yù)測易破壞的位置， 對電堆的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向， 降低電堆制造成本。 于杰在考慮金屬雙極板受到封裝壓力和氣體作用時(shí)研究流道尺寸參數(shù)對極板流道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、 剛度和穩(wěn)定性影響， 研究結(jié)果表明：流道壁厚減小、 脊寬增加和流道傾斜角減小會造成流道強(qiáng)度、 剛度降低， 流道高度增加引起極板最大位移變形量增大和最大應(yīng)力降低。 肖文靈建立PEMFC有限元模型， 研究電堆受到封裝載荷和工作溫度下電堆的密封性能， 結(jié)果表明： 電堆受到封裝載荷時(shí)， 陽極泄露率大于陰極， 單電池之間的泄露率相差最大達(dá)35%， 中間泄漏量高。 張智明等建立了全尺寸單電池密封膠模型， 仿真與試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力分布一致， 應(yīng)力均值為1.6MPa； 仿真最大應(yīng)力值大于試驗(yàn)值， 密封膠條發(fā)生應(yīng)力集中的位置在螺栓連接處。 劉博利用有限元方法對4螺栓和6螺栓封裝電堆進(jìn)行模態(tài)分析， 以預(yù)測電堆的變形形狀及變形方向， 結(jié)果表明： 螺栓數(shù)目的增加能夠加強(qiáng)電堆在封裝方向的整體剛度， 增強(qiáng)抵抗Z向的低頻振動， 但是對其他方向的低頻振動影響較小。

3 電堆封裝面臨問題及對策

根據(jù)國內(nèi)外專家學(xué)者對電堆封裝性能的研究發(fā)現(xiàn)， 電堆在封裝過程中存在最優(yōu)封裝力； 封裝力過大， 造成流道流通截面積減小， 有效反應(yīng)氣體量下降而使電堆性能下降，甚至造成過度壓迫使膜電極損壞； 封裝力過小， 使組件間連接可靠性降低， 反應(yīng)氣體和冷卻液發(fā)生泄漏， 污染環(huán)境。因而， 電堆的性能、 穩(wěn)定性、 可靠性及壽命都受到封裝力大小和均勻程度的影響。 電堆端板優(yōu)化、 封裝力與氣流耦合作用規(guī)律、 封裝方式選擇、 夾緊方式設(shè)計(jì)優(yōu)化、 封裝力與接觸電阻關(guān)系等都是目前電堆封裝所需解決的問題。 歸根結(jié)底， 當(dāng)下電堆封裝面臨的首要問題就是建立一套完整有效理論體系來對電堆最優(yōu)封裝力進(jìn)行設(shè)計(jì)， 進(jìn)而對電堆組件進(jìn)行優(yōu)化。

采用理論與實(shí)踐的思路， 仿真聯(lián)合實(shí)驗(yàn)的方法， 基于數(shù)值仿真考慮載荷的施加和傳遞過程中反應(yīng)氣體的供給、冷卻效率、 電化學(xué)、 多相轉(zhuǎn)化等多因素的影響， 進(jìn)一步研究電池內(nèi)部損耗， 結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用模擬電堆最佳封裝力，為實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確的參考信息。 以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真， 建立同條件下多尺度、 多維度、 多相、 多場耦合模型， 對電堆封裝進(jìn)行指導(dǎo)優(yōu)化， 改善電堆組件間電阻、 熱阻、 傳質(zhì)能力，進(jìn)而提升電堆功率密度和耐久性。

4 總結(jié)

燃料電池作為一種新型動力轉(zhuǎn)化裝置， 推動其發(fā)展不僅有利于減小環(huán)境污染， 還對我國實(shí)現(xiàn)能源自主有重大意義。 本文對質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理進(jìn)行了分析，介紹了燃料電池電堆的各個組件， 闡述了其在電堆中所承擔(dān)的作用及工作特點(diǎn)， 進(jìn)而分析了近年電堆封裝國內(nèi)外研究進(jìn)展， 得到電堆封裝過程面臨的主要問題是最優(yōu)封裝力的獲取， 對此采取仿真與實(shí)驗(yàn)耦合研究的策略， 構(gòu)建實(shí)際工程應(yīng)用環(huán)境下設(shè)計(jì)最優(yōu)封裝力的理論體系， 進(jìn)而提高燃料電池的性能和延長燃料電池的使用壽命。