基于裝配力的車用燃料電池氣體擴散層內部傳質研究

摘要：建立二維固體力學模型以及三維、穩態、恒溫單通道直流道質子交換膜燃料電池（PEMFC）模型，在研究裝配力引起的氣體擴散層（GDL）受力變形的基礎上，充分研究GDL局部應變造成的孔隙率、電導率、滲透率以及擴散系數的分層分布現象，并將各系數的分布情況代入單體PEMFC模型中以探究裝配力對GDL傳質的影響。研究結果表明：裝配力會通過引起GDL的局部應變從而改變其孔隙率、滲透率、電導率以及擴散系數，進而影響GDL中的水氣傳輸以及電極內部的電流密度的分布，最終使得PEMFC的性能得以提高。

關鍵詞：PEMFC;裝配力;GDL;孔隙率;傳質

中圖分類號：U463收稿日期：2022-04-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.004

1前言

質子交換膜燃料電池憑借其高功率密度、良好的低溫啟動特性以及零排放成為21世紀理想的車用能源之一，然而，燃料電池的瞬態響應特性等缺點在一定程度上影響燃料電池汽車商業化的進程。

鑒于此，業內紛紛對燃料電池性能的影響因素展開了研究。目前，國內外關于燃料電池GDL的研究大多集中于傳質方面，如GDL的厚度1、孔隙率（2-5）對其傳質的影響。研究結果表明，GDL厚度的降低能夠有效地提高其傳質能力，同時能夠有效地降低水淹的概率;而GDL孔隙率分布形態的不同會對陰極氧氣的傳質以及液態水的運輸產生很大的影響，其中單一分布的形態最有利于燃料電池性能的提高。

除此之外，很多專家從力學的角度出發對GDL展開研究，其中范留飛等6通過有限元法建立雙極板與GDL接觸模型，探究不同裝配力下GDL孔隙率的分布情況;周怡博等利用實驗與仿真結合的方法探究質子交換膜燃料電池GDL形變及其對電池傳輸特性和性能，影響的研究。除此之外，很多專家基于GDL傳質特性，通過ANSYS軟件對最佳裝配壓力進行探究[8-10]。

通常，燃料電池GDL的孔隙率、電導率、擴散系數以及滲透率都會對GDL內部傳質產生一定的影響進而影響到PEMFC的性能，而作為燃料電池單體組裝（電堆組裝）的重要參數，裝配壓力對GDL的上述指標有著直接的影響，而目前的研究大多數只考慮GDL形變與孔隙率的關系。鑒于此，本文將針對裝配壓力對GDL各參數的影響，建立PEMFC單流道模型，深入探究裝配力對燃料電池GDL內部傳質的影響。

2模型與參數

文章的模型分為兩部分：第一部分為固體力學模型，探究1 MPa裝配力條件下GDL內部孔隙率、電導率、擴散系數以及滲透率的分布情況;第二部分為流場面積0.3cmx3 cm的三維、穩態單通道直流道PEMFC單體模型。下面先介紹物理模型及數學模型。

2.1物理模型

圖1a為固體力學模型（由于燃料電池直流道在受力過程中沿長度方向變形的一致性，因此固體力學模型為寬度-高度橫截面的二維模型）;圖1b為單通道直流道PEMFC單體模型（變形后已將GDL按照孔隙率等參數分布進行劃分與簡化）;表1為模型的基本參數。

2.2 CFD模型

PEMFC的數學模型由質量守恒、動量守恒、能量守恒、物料守恒以及電荷守恒等守恒方程組成。

為了便于計算，本文對PEMFC計算模型進行了如下假設：

a. PEMFC處于穩定運行狀態。

b.流道內的氣體流動是理想氣體的層流和不可壓縮流動。

c.所有氣體不能通過質子交換膜（即無氣體滲透作用）。

d.忽略重力效應。

e. GDL 和CL均為各向同性。

f.將PEMFC模型應用PEMFC直流道。g.流道中的少量液態水是分散的水滴。

h.除GDL外，MEA的其余部件均為不可變形的剛體結構。

3模擬結果分析

3.1裝配力對GDL各參數的影響

圖2為1 MPa裝配力下GDL的應變分布，從圖中可以看出，當GDL受到裝配力影響后，其內部產生的應變呈現不均勻分布的趨勢，與此同時，越靠近助板，應變分布越密集。

根據應變分布曲線，結合式（1）～式（4）：

最終分別得到GDL內孔隙率、滲透率、電導率以及擴散系數分布情況，并將其代入模型1b，進行CFD數值計算。

3.2基于裝配力的PEMFC性能分析

圖3展示了裝配力等于1MPa與不考慮裝配力條件下GDL內部傳質對比分析結果。

圖3a中，在不考慮裝配力的條件下，GDL中氧氣濃度小于裝配力1 MPa時的氧氣濃度，這說明裝配力能夠通過改變 GDL的孔隙率、滲透率以及氧氣與其他組分之間的相對擴散系數，從而改善氧氣在GDL中的傳質，從圖中可以明顯看出，肋板與GDL接觸處的氧氣濃度明顯高于其余部位，這與孔隙率、滲透率以及擴散系數的分布情況有關。

圖3b為GDL與流道交界處水分布情況，同理，由于裝配力改變的GDL的孔隙率以及水與其他組分的相對擴散系數，使得反應生成的水更易從GDL中排出。

圖3c為陰極電極電流密度分布圖，從圖中可以看出由于裝配力改變了GDL的電導率，從而使電極表面電流密度增加。

4結語

本文基于1 MPa裝配力條件下GDL固體力學受壓模型，對裝配力對燃料電池GDL的傳質特性的影響展開了研究，得到如下結論：

a.裝配力會通過改變GDL的局部應變從而改變其孔隙率、滲透率、電導率以及擴散系數，進而影響GDL中的傳質。

b.受孔隙率、滲透率以及擴散系數的影響GDL中氧氣、水的運輸得以改善，在1 MPa裝配力條件下，反應氣體能夠更多地進入GDL中從而能夠更充分地在活性區域內反應。同時，能夠有效地除去反應生成的液態水以及有效地避免水淹的發生。電導率的改變能夠提高電極處的電流密度，最終使PEMFC的性能得以改善。

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作者簡介：

李慧，女，1971年生，副教授，研究方向為機械工程、交通運輸。