氫燃料電池堆封裝研究現狀

秦 飛， 郭朋彥，2， 張瑞珠， 冉 朝， 任 赟

（1.華北水利水電大學， 河南 鄭州 450045；2.河南省新能源車輛熱流電化學系統國際聯合實驗室， 河南 鄭州 450045）

隨著環境污染、 能源危機的不斷加劇， 習總書記先后提出了 “兩山論”、 “雙碳目標” 和 “大力發展新能源產業” 等論斷； 氫能這一清潔無污染的人類社會 “終極能源”被認為是解決環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，而且可以促進多種一次能源的發展和利用。 以氫為燃料的質子交換膜燃料電池 （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、 能量轉化效率高等優點， 被認為是最有希望替代傳統內燃機的汽車動力源， 其還可應用于分布式發電裝置、 軍事裝備、 固定式發電站等。 所以， PEMFC極具發展潛力， 大力推動其核心技術的發展可以有效改善我國能源結構， 實現 “能源自主、 可控”， 對我國的環境、 經濟、 社會、 發展都具有重大意義。

成本和壽命是PEMFC面臨的兩大問題。 優異的電堆裝配方案可以降低燃料電池成本， 提高電池壽命和發電性能。本文結合機械、 電化學、 流體力學、 動力學等知識， 介紹燃料電池電堆工作原理和電堆結構組成； 分析氫燃料電池堆封裝的國內外研究現狀， 討論封裝過程中的電堆性能變化，進而對電堆封裝面臨的問題進行解析， 并提出相應對策。

1 燃料電池電堆組成及其工作原理

質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電堆結構示意圖

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）、 氣體擴散層 （GDL）、 催化層 （CL）、 質子交換膜 （PEM） 等零件構成， 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、 提供反應氣/冷卻液通道、 分隔氫氣和空氣的作用。

圖2 單電池結構示意圖

膜電極由2層擴散層、 2層催化層和交換膜 “五合一”構成。 擴散層是由碳紙和微孔層構成， 不但為反應氣體和生成物提供擴散通道， 還為催化層提供載體和支撐電極，擴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， 經過粘合劑Nafion或PTFE黏結形成Pt/C顆粒的團聚物之后， 依附于擴散層上， 厚度很薄， 是發生電化學反應的場所。 質子交換膜是PEMFC工作的基礎， 單電池最為核心的組件，質子膜隔開了氧化劑和還原劑， 傳遞質子 （氫離子） 和水分子到達陰極， 但阻隔電子的通過， 所以質子交換膜應具有高質子電導率、 優良的電子絕緣性能、 高穩定性和低氣體透過率。

質子交換膜燃料電池的工作過程相當于是水電解的逆過程， 陽極為還原劑 （氫氣） 的氧化反應， 陰極為氧化劑（氧氣） 的還原反應。 在工作時， 氫氣釋放電子通過外電路負載再到達陰極， 質子則通過電解質薄膜到達陰極， 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載輸送電流， 如圖3所示。

圖3 PEMFC工作原理示意圖

電堆運行時， 由外部供氫系統將氫氣輸送至陽極一側，氫氣進入陽極單板流場流道內， 再擴散入陽極擴散層及催化層。 在催化層催化劑作用下發生氧化反應， 氫氣分子分解產生氫離子 （H） 和電子 （e）。 陽極反應式為：

陽極產生的H通過水合作用穿過質子膜到達陰極催化層， 電子沿陽極擴散層、 陽極單板、 外電路、 陰極單板、陰極擴散層到達陰極催化層。 陰極一側供給的純氧或空氣中的氧氣， 同理進入陰極單板流場流道， 再擴散入陰極擴散層和催化層。 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生還原反應生成水。 陰極反應式為：

PEMFC 反應中不僅產生電能， 還會釋放部分廢熱，PEMFC總反應式為：

2 燃料電池電堆封裝研究現狀

在實際應用場合中， PEMFC電堆由若干個組件串聯裝配起來， 每個組件的制造誤差和裝配誤差在裝配時都會進行累積， 對電堆總誤差造成影響， 進而降低電堆性能， 因而電堆封裝的工藝決定了電堆性能和成本。 對此國內外專家學者開展了系列研究， PEMFC電堆在封裝載荷的作用下，電堆工作涉及到反應氣輸送、 多相轉化、 載荷傳遞、 溫度交換、 電化學反應等諸多因素， 再加上封裝載荷會使雙極板、 膜電極、 密封墊圈的結構性能發生改變， 所以電堆的封裝十分復雜。

2.1 電堆封裝國外研究現狀

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、環境溫度都有要求， 需要進行多組試驗， 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力響應和接觸行為， 討論了夾緊力、 鋼帶數量和寬度對PEMFC力學性能的影響， 結果表明： 多節單電池組裝后的應力分布更加均勻， 組裝后單節單電池和多節單電池的應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內組件的總變形， 結果發現： 螺栓壓縮電堆最大功率密度達到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力。

接觸電阻受幾個機械參數的影響， 如夾緊壓力、 GDL的孔隙率及2個組件GDL和BPP的尺寸等。 Ouaidat等建立了機械模型和機械-電氣耦合模型兩種分析模型。 基于機械模型分析計算接觸電阻， 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， 發現數值結果與參考實驗結果存在良好的相關性。 Kleemann研究了PEMFC的GDL局部壓縮分布及對接觸電阻的影響， 結果表明： 具有寬流道流場的極板極化差異更加明顯； 在高載荷下， 會發生壓縮、 電效應、 熱量和質量傳輸效應的相互作用。

Majlan等研究了PEMFC電堆組件幾何參數對電堆變形的影響， 結果表明： 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生了變化。 Rao等采用單個透明PEMFC進行實驗， 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通過分析化學反應產生的熱量、 冷卻水對流和施加在端板上的裝配力作用下的電堆結構變化， 結果表明：燃料電池堆內的溫度分布不均勻， 電池中存在較高的結構應力和熱應力， 這將導致燃料電池堆的失效， 尤其是使用石墨極板時。 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， 并分析了接觸應力對元件可靠性的影響， 結果表明： 接觸應力是影響電堆可靠性的重要參數， 最佳的接觸應力取決于堆疊組件的機械和電氣特性。 Alizadeh等設計了帶有新型夾持機構的PEMFC來研究膜電極活性區域的接觸壓力分布， 夾緊壓力以氣動方式施加在電池組件上， 通過對比發現， 新型夾緊機構的MEA接觸壓力分布比傳統機構更均勻。 Liu等為了研究電堆的振動響應， 基于有限元方法進行了模態分析， 研究發現： 在總夾緊力不變的情況下， 增加螺栓數量可以增強夾緊方向的疊層抗振能力， 但不能明顯增強垂直于夾緊方向平面的疊層抗振能力。

2.2 電堆封裝國內研究現狀

有關電堆封裝技術近年來國內同樣也開展了相關研究。周平研究了電堆封裝載荷對氣體擴散層性能的影響， 在使用石墨雙極板時， 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， 脊寬增加造成接觸電阻上升， 但是使用兩種極板都會使擴散層孔隙度降低。 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律， 建立了一個3電池的電堆模型進行仿真與實驗； 對比仿真實驗結果得到， 組件接觸壓力分布趨勢一致， 且呈現中間接觸壓力小、 四周接觸壓力大。

殷駿等開發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機械性能， 減低損傷， 仿真結果表明： 當脊下平均壓力為0.6～1.2MPa時， 采用一體密封單電池活性區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， 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產生的誤差對電堆接觸電阻的影響， 建立力學仿真模型， 結果表明： 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理時， 通過掃頻實驗和模擬仿真結果對比， 發現電堆箱體在受到碰撞時， 模型可以很好預測易破壞的位置， 對電堆的設計優化提供方向， 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研究流道尺寸參數對極板流道結構強度、 剛度和穩定性影響， 研究結果表明：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， 結果表明： 電堆受到封裝載荷時， 陽極泄露率大于陰極， 單電池之間的泄露率相差最大達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， 仿真與試驗結果的應力分布一致， 應力均值為1.6MPa； 仿真最大應力值大于試驗值， 密封膠條發生應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螺栓封裝電堆進行模態分析， 以預測電堆的變形形狀及變形方向， 結果表明： 螺栓數目的增加能夠加強電堆在封裝方向的整體剛度， 增強抵抗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

根據國內外專家學者對電堆封裝性能的研究發現， 電堆在封裝過程中存在最優封裝力； 封裝力過大， 造成流道流通截面積減小， 有效反應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， 反應氣體和冷卻液發生泄漏， 污染環境。因而， 電堆的性能、 穩定性、 可靠性及壽命都受到封裝力大小和均勻程度的影響。 電堆端板優化、 封裝力與氣流耦合作用規律、 封裝方式選擇、 夾緊方式設計優化、 封裝力與接觸電阻關系等都是目前電堆封裝所需解決的問題。 歸根結底， 當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封裝力進行設計， 進而對電堆組件進行優化。

采用理論與實踐的思路， 仿真聯合實驗的方法， 基于數值仿真考慮載荷的施加和傳遞過程中反應氣體的供給、冷卻效率、 電化學、 多相轉化等多因素的影響， 進一步研究電池內部損耗， 結合工程實際應用模擬電堆最佳封裝力，為實驗提供準確的參考信息。 以實驗驗證仿真， 建立同條件下多尺度、 多維度、 多相、 多場耦合模型， 對電堆封裝進行指導優化， 改善電堆組件間電阻、 熱阻、 傳質能力，進而提升電堆功率密度和耐久性。

4 總結

燃料電池作為一種新型動力轉化裝置， 推動其發展不僅有利于減小環境污染， 還對我國實現能源自主有重大意義。 本文對質子交換膜燃料電池的工作原理進行了分析，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的作用及工作特點， 進而分析了近年電堆封裝國內外研究進展， 得到電堆封裝過程面臨的主要問題是最優封裝力的獲取， 對此采取仿真與實驗耦合研究的策略， 構建實際工程應用環境下設計最優封裝力的理論體系， 進而提高燃料電池的性能和延長燃料電池的使用壽命。