质子交换膜燃料电池扩散层形变及其对电池传输特性和性能影响的研究

质子交换膜燃料电池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为通过电化学反应直接把燃料的化学能转化为电能的装置，由于具有能量转换效率高、工作温度低、功率密度高、启动快、对环境友好等优点，被广泛的认为是未来最有发展前途的清洁能量转换装置。而在各组件通过装配压力连接在一起的过程中，起到支撑作用的气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)，其多孔结构也会遭到破坏，这对水的传输尤其是排出带来很大的影响，给PEMFC的水热管理以及性能带来新的问题。本文结合数值模拟和实验方法，对装配压力引起的GDL的机械特性以及电化学反应和性能的变化进行深入系统的研究，以掌握其影响规律。论文主要工作如下： (1)通过实验的方法对在PEMFC中GDL的压缩模量进行测定，经过多次测量的平均得到其值为5.53MPa，并利用经验公式进一步分析了得到在600N的作用力下，GDL的孔隙率已经从初始的0.78下降至0.2左右，渗透率的变化也达到一个数量级之多。 (2)利用有限元方法(Finite Element Analysis， FEA)研究了装配压力对PEMFC中GDL变形情况的影响。研究结果表明随着装配压力的不断增加，脊部下方的GDL会发生不同程度的变形，而流道下方的GDL则基本不发生变形。 (3)对自行组装的燃料电池进行了不同操作条件下的性能测试，并得到进气压力为0.2MPa，进气温度为70℃，而进气相对湿度为100%时，电池的性能相对最好。并在此基础上得到不同装配压力下所对应的PEMFC性能曲线，研究结果表明PEMFC的性能并不是随着装配压力的升高而一直变好的，在高电流密度的时候，电池性能甚至会出现一定程度的下降。 (4)基于FEA的研究结果，通过自行编译程序建立三维两相流的PEMFC模型，模拟的结果表明初始厚度相对较厚的GDL可以承受更大的装配压力，但是电池的性能较差。较厚的膜材料会使得电池的性能下降，但是会使得阳极CL的水含量升高。GDL传输参数的各向异性对PEMFC影响中，导电系数的各向异性对电池的性能影响最大，渗透率的各向异性导致了在垂直平面方向，液态水很难排出到流道中，导热系数的各向异性可以使电池内部的温度分布更加均匀。