摘要：建立二維固體力學(xué)模型以及三維、穩(wěn)態(tài)、恒溫單通道直流道質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）模型，在研究裝配力引起的氣體擴(kuò)散層（GDL）受力變形的基礎(chǔ)上，充分研究GDL局部應(yīng)變?cè)斐傻目紫堵省㈦妼?dǎo)率、滲透率以及擴(kuò)散系數(shù)的分層分布現(xiàn)象，并將各系數(shù)的分布情況代入單體PEMFC模型中以探究裝配力對(duì)GDL傳質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明：裝配力會(huì)通過(guò)引起GDL的局部應(yīng)變從而改變其孔隙率、滲透率、電導(dǎo)率以及擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而影響GDL中的水氣傳輸以及電極內(nèi)部的電流密度的分布，最終使得PEMFC的性能得以提高。

關(guān)鍵詞：PEMFC;裝配力;GDL;孔隙率;傳質(zhì)

中圖分類號(hào)：U463收稿日期：2022-04-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.07.004

1前言

質(zhì)子交換膜燃料電池憑借其高功率密度、良好的低溫啟動(dòng)特性以及零排放成為21世紀(jì)理想的車用能源之一，然而，燃料電池的瞬態(tài)響應(yīng)特性等缺點(diǎn)在一定程度上影響燃料電池汽車商業(yè)化的進(jìn)程。

鑒于此，業(yè)內(nèi)紛紛對(duì)燃料電池性能的影響因素展開了研究。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于燃料電池GDL的研究大多集中于傳質(zhì)方面，如GDL的厚度1、孔隙率（2-5）對(duì)其傳質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，GDL厚度的降低能夠有效地提高其傳質(zhì)能力，同時(shí)能夠有效地降低水淹的概率;而GDL孔隙率分布形態(tài)的不同會(huì)對(duì)陰極氧氣的傳質(zhì)以及液態(tài)水的運(yùn)輸產(chǎn)生很大的影響，其中單一分布的形態(tài)最有利于燃料電池性能的提高。

除此之外，很多專家從力學(xué)的角度出發(fā)對(duì)GDL展開研究，其中范留飛等6通過(guò)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(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法探究質(zhì)子交換膜燃料電池GDL形變及其對(duì)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(zhì)特性，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)最佳裝配壓力進(jìn)行探究[8-10]。

通常，燃料電池GDL的孔隙率、電導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)以及滲透率都會(huì)對(duì)GDL內(nèi)部傳質(zhì)產(chǎn)生一定的影響進(jìn)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(shù)，裝配壓力對(duì)GDL的上述指標(biāo)有著直接的影響，而目前的研究大多數(shù)只考慮GDL形變與孔隙率的關(guān)系。鑒于此，本文將針對(duì)裝配壓力對(duì)GDL各參數(shù)的影響，建立PEMFC單流道模型，深入探究裝配力對(duì)燃料電池GDL內(nèi)部傳質(zhì)的影響。

2模型與參數(shù)

文章的模型分為兩部分：第一部分為固體力學(xué)模型，探究1 MPa裝配力條件下GDL內(nèi)部孔隙率、電導(dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)以及滲透率的分布情況;第二部分為流場(chǎng)面積0.3cmx3 cm的三維、穩(wěn)態(tài)單通道直流道PEMFC單體模型。下面先介紹物理模型及數(shù)學(xué)模型。

2.1物理模型

圖1a為固體力學(xué)模型（由于燃料電池直流道在受力過(guò)程中沿長(zhǎng)度方向變形的一致性，因此固體力學(xué)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(shù)分布進(jìn)行劃分與簡(jiǎn)化）;表1為模型的基本參數(shù)。

2.2 CFD模型

PEMFC的數(shù)學(xué)模型由質(zhì)量守恒、動(dòng)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(jì)算，本文對(duì)PEMFC計(jì)算模型進(jìn)行了如下假設(shè)：

a. PEMFC處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

b.流道內(nèi)的氣體流動(dòng)是理想氣體的層流和不可壓縮流動(dòng)。

c.所有氣體不能通過(guò)質(zhì)子交換膜（即無(wú)氣體滲透作用）。

d.忽略重力效應(yīng)。

e. GDL 和CL均為各向同性。

f.將PEMFC模型應(yīng)用PEMFC直流道。g.流道中的少量液態(tài)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(jié)構(gòu)。

3模擬結(jié)果分析

3.1裝配力對(duì)GDL各參數(shù)的影響

圖2為1 MPa裝配力下GDL的應(yīng)變分布，從圖中可以看出，當(dāng)GDL受到裝配力影響后，其內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變呈現(xiàn)不均勻分布的趨勢(shì)，與此同時(shí)，越靠近助板，應(yīng)變分布越密集。

根據(jù)應(yīng)變分布曲線，結(jié)合式（1）～式（4）：

最終分別得到GDL內(nèi)孔隙率、滲透率、電導(dǎo)率以及擴(kuò)散系數(shù)分布情況，并將其代入模型1b，進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)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(nèi)部傳質(zhì)對(duì)比分析結(jié)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(shí)的氧氣濃度，這說(shuō)明裝配力能夠通過(guò)改變 GDL的孔隙率、滲透率以及氧氣與其他組分之間的相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)，從而改善氧氣在GDL中的傳質(zhì)，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(kuò)散系數(shù)的分布情況有關(guān)。

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(duì)擴(kuò)散系數(shù)，使得反應(yīng)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(dǎo)率，從而使電極表面電流密度增加。

4結(jié)語(yǔ)

本文基于1 MPa裝配力條件下GDL固體力學(xué)受壓模型，對(duì)裝配力對(duì)燃料電池GDL的傳質(zhì)特性的影響展開了研究，得到如下結(jié)論：

a.裝配力會(huì)通過(guò)改變GDL的局部應(yīng)變從而改變其孔隙率、滲透率、電導(dǎo)率以及擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而影響GDL中的傳質(zhì)。

b.受孔隙率、滲透率以及擴(kuò)散系數(shù)的影響GDL中氧氣、水的運(yùn)輸?shù)靡愿纳?，? MPa裝配力條件下，反應(yīng)氣體能夠更多地進(jìn)入GDL中從而能夠更充分地在活性區(qū)域內(nèi)反應(yīng)。同時(shí)，能夠有效地除去反應(yīng)生成的液態(tài)水以及有效地避免水淹的發(fā)生。電導(dǎo)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅鑫，陳士忠，夏忠賢，等.氣體擴(kuò)散層厚度對(duì)PEMFC性能的影響[J].可再生能源，2018，36（1）：144-150.

[2]劉坤，張永生，劉艷，等.孔隙率間隔分布擴(kuò)散層的PEM燃料電池性能[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（10）：127-130.

[3]張寧，張小娟，陰極擴(kuò)散層孔隙率不同分布對(duì)PEMFC性能的影響[J].電源技術(shù)，2017，41（9）：1296-1298.

[4]張寧，肖金生，詹志剛，等.擴(kuò)散層孔隙率隨機(jī)分布對(duì)燃料電池性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2010.34（3）：600-603.

[5]簡(jiǎn)棄非，李云鵬.四流道蛇形流場(chǎng)孔隙率對(duì)PEMFC性能的影響[J].電源技術(shù)，2012，36（4）：495-495.

[6]范留飛，談金祝，胡學(xué)家，等，封裝力對(duì)PEM燃料電池氣體擴(kuò)散層孔隙率的影響[J].電源技術(shù)，2014（11）：2003-2006.

[7]周怡博，王建建.裝配壓力對(duì)燃料電池?cái)U(kuò)散層影響的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2016，28（4）：991-996.

[8]吉辰，胡桂林，裝配壓力對(duì)PEMFC氣體擴(kuò)散層影響的研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，29（1）：11-14.

[9] Taymaz I. BenliM.Numerical study of assembly pressure effect on the performance of proton exchange membrane fuel cell[J].Energy， 2010， 35（5） ：2134-2140.

[10] Atyabi S A， Afshari E， Wongwises S， et al.Effects of assembly pres- sure on PEM fuel cell performance by taking into accounts electri- cal and thermal contact resistances [J]. Energy， 2019 （179） ： 490-501.

作者簡(jiǎn)介：

李慧，女，1971年生，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程、交通運(yùn)輸。