質子交換膜燃料電池性能影響的分析

      鋰電世界  質子交換膜燃料電池（PEMFC）由于結構及工作原理的特點，在發生電化學反應過程中不產生任何污染氣體，被世界認為最環保能源。本文通過對燃料電池內部結構具體分析，詳細的測試了不同緊固作用的改變對PEMFC工作性能的影響。

      質子交換膜燃料電池主要應用氫氣作為原料，將氧化劑中的化學能轉化為電能的一種發電裝置。它的發電原理與普通的化學電池發電原理基本相同：都是利用正負極板上的電子的移動完成燃料的氧化還原反應。氧化過程發生在正極也就是陽極，還原過程發生在負極也就是陰極。相對于內燃機而言質子交換膜燃料電池，它的工作特點是直接將化學能轉化為電能，因此效率更高。又因為它是以氫氣為燃料，最后作用的產生物是水，沒有生成任何有害氣體釋放到空氣中，是我們所需要的環保新能源。并且它的輸出功率更高，無需充電。正是因為它具有這么突出的優點，所以燃料電池技術被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術，被世界認為是最有發展前途的新能源。

      一、燃料電池的原理

      質子交換膜燃料電池主要由陽極流場板，膜電極和陰極流場板組成，其中膜電極又包含擴散層、催化層和質子交換膜。

      在工作時質子交換膜燃料電池系統就相當于一個直流電源，直流電源的負極相當于燃料電池的陽極，正極相當于燃料電池的陰極。

      首先氫氣通過質子交換膜到達陽極，在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質子，并釋放出2個電子，陽極反應為：陽極（負極）：2H2-4e-→4H+.

      在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發生反應生成水，陰極反應為：陰極（正極）：O2+4H++4e-→2H2O總反應式：2H2+1/2 O2→ H2O+電能電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續地輸出電能。

      二、膜電極擴散層變化分析

      為了防止氣體泄漏和降低接觸電阻，一般狀態下，會施加適當的緊固作用將氣體擴散層和流場板連接。并且施加的這種緊固作用的大小會直接影響到氣體擴散層的滲透率、氣體孔隙率、接觸電阻以及最終的電池性能。

      工作過程中質子交換膜燃料電池的擴散層孔隙率的變化通過實驗手段是很難測量的，評估不同緊固作用下擴散層性能的變化必須在電池外進行。

      研究人員做了這樣一個實驗；在固定夾緊力的前提下，把不同條件下膜電極的變形用一個有限元模型來模擬，研究了擴散層的彈性形變。他們發現，雙極板構造對擴散層孔隙率的分布以及緊固作用的變化有很大的因果關系。研究人員使用一個sin2n（x）的函數來近似表示孔隙率的分布情況，該函數（sin2n（x））是由其他函數進行簡化得出的。分析緊固作用的影響和擴散層形變不宜采用過于簡單的函數，因此，分析變形后的擴散層的剖面常常使用有限元模型。

      三、緊固作用對擴散層影響

      從理論的角度分析，緊固作用的增大必然會減小擴散層中的孔隙率，那么電池的性能是因此而逐漸變好。究其原因，是由于隨著擴散層的孔隙率的減小，接觸電阻會有所減小，更有利于電子的傳導過程。但是以質子交換膜燃料電池來說，水分的傳輸過程也會受到擴散層中滲透率和孔隙率的影響。因為交換膜中的質子需要和水結合后才能傳遞燃料。故其電導率與含水量有一定的相關性，如果膜內水量的含量適中，不但電導率達到最佳值，而且其內阻也會隨之降到最小。在燃料電池反應的過程中產生的水分，在催化層和擴散層中傳輸時也將對電池的性能有重要的影響作用。

      水分的含量對于質子交換膜燃料電池的性能影響主要是影響質子交換膜的導電率和氣體所發生的電化學反應。在燃料電池的組裝過程中，擴散層會因為緊固螺栓的加緊力大小的而產生形變，而隨著緊固作用的變化擴散層中孔隙率和滲透率也會變化，那么必將影響到水的傳輸作用，影響電池的性能。

      通常，人們認為擴散層中微孔的體積發生了改變就代表了擴散層發生了形變，較大的微孔體積方便水的傳遞。而在孔隙率減小的情況下，水分會產生堵塞毛細孔的現象，故有效孔隙率的分布受到陰極產生的水分的影響。因此，由迭代過程中水的生成量決定有效孔隙率的改變。

      由于緊固作用的變化導致擴散層變形，可能會產生對孔隙率的變化而導致水的生成以及接觸電阻的變化所發生的影響。

      本文主要運用一個兩相的質子交換膜燃料電池模型進行研究不同的緊固作用下擴散層的變形形狀以及對電池性能的影響。