鋰電世界  質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）由于結(jié)構(gòu)及工作原理的特點(diǎn)，在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不產(chǎn)生任何污染氣體，被世界認(rèn)為最環(huán)保能源。本文通過(guò)對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體分析，詳細(xì)的測(cè)試了不同緊固作用的改變對(duì)PEMFC工作性能的影響。

      質(zhì)子交換膜燃料電池主要應(yīng)用氫氣作為原料，將氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置。它的發(fā)電原理與普通的化學(xué)電池發(fā)電原理基本相同：都是利用正負(fù)極板上的電子的移動(dòng)完成燃料的氧化還原反應(yīng)。氧化過(guò)程發(fā)生在正極也就是陽(yáng)極，還原過(guò)程發(fā)生在負(fù)極也就是陰極。相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言質(zhì)子交換膜燃料電池，它的工作特點(diǎn)是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，因此效率更高。又因?yàn)樗且詺錃鉃槿剂希詈笞饔玫漠a(chǎn)生物是水，沒(méi)有生成任何有害氣體釋放到空氣中，是我們所需要的環(huán)保新能源。并且它的輸出功率更高，無(wú)需充電。正是因?yàn)樗哂羞@么突出的優(yōu)點(diǎn)，所以燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，被世界認(rèn)為是最有發(fā)展前途的新能源。

      一、燃料電池的原理

      質(zhì)子交換膜燃料電池主要由陽(yáng)極流場(chǎng)板，膜電極和陰極流場(chǎng)板組成，其中膜電極又包含擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜。

      在工作時(shí)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)直流電源，直流電源的負(fù)極相當(dāng)于燃料電池的陽(yáng)極，正極相當(dāng)于燃料電池的陰極。

      首先氫氣通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陽(yáng)極，在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：陽(yáng)極（負(fù)極）：2H2-4e-→4H+.

      在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過(guò)外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：陰極（正極）：O2+4H++4e-→2H2O總反應(yīng)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(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。

      二、膜電極擴(kuò)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(tài)下，會(huì)施加適當(dāng)?shù)木o固作用將氣體擴(kuò)散層和流場(chǎng)板連接。并且施加的這種緊固作用的大小會(huì)直接影響到氣體擴(kuò)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(guò)程中質(zhì)子交換膜燃料電池的擴(kuò)散層孔隙率的變化通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段是很難測(cè)量的，評(píng)估不同緊固作用下擴(kuò)散層性能的變化必須在電池外進(jìn)行。

      研究人員做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)；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(gè)有限元模型來(lái)模擬，研究了擴(kuò)散層的彈性形變。他們發(fā)現(xiàn)，雙極板構(gòu)造對(duì)擴(kuò)散層孔隙率的分布以及緊固作用的變化有很大的因果關(guān)系。研究人員使用一個(gè)sin2n（x）的函數(shù)來(lái)近似表示孔隙率的分布情況，該函數(shù)（sin2n（x））是由其他函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化得出的。分析緊固作用的影響和擴(kuò)散層形變不宜采用過(guò)于簡(jiǎn)單的函數(shù)，因此，分析變形后的擴(kuò)散層的剖面常常使用有限元模型。

      三、緊固作用對(duì)擴(kuò)散層影響

      從理論的角度分析，緊固作用的增大必然會(huì)減小擴(kuò)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(kuò)散層的孔隙率的減小，接觸電阻會(huì)有所減小，更有利于電子的傳導(dǎo)過(guò)程。但是以質(zhì)子交換膜燃料電池來(lái)說(shuō)，水分的傳輸過(guò)程也會(huì)受到擴(kuò)散層中滲透率和孔隙率的影響。因?yàn)榻粨Q膜中的質(zhì)子需要和水結(jié)合后才能傳遞燃料。故其電導(dǎo)率與含水量有一定的相關(guān)性，如果膜內(nèi)水量的含量適中，不但電導(dǎo)率達(dá)到最佳值，而且其內(nèi)阻也會(huì)隨之降到最小。在燃料電池反應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生的水分，在催化層和擴(kuò)散層中傳輸時(shí)也將對(duì)電池的性能有重要的影響作用。

      水分的含量對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的性能影響主要是影響質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電率和氣體所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。在燃料電池的組裝過(guò)程中，擴(kuò)散層會(huì)因?yàn)榫o固螺栓的加緊力大小的而產(chǎn)生形變，而隨著緊固作用的變化擴(kuò)散層中孔隙率和滲透率也會(huì)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(rèn)為擴(kuò)散層中微孔的體積發(fā)生了改變就代表了擴(kuò)散層發(fā)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(huì)產(chǎn)生堵塞毛細(xì)孔的現(xiàn)象，故有效孔隙率的分布受到陰極產(chǎn)生的水分的影響。因此，由迭代過(guò)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(dǎo)致擴(kuò)散層變形，可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)孔隙率的變化而導(dǎo)致水的生成以及接觸電阻的變化所發(fā)生的影響。

      本文主要運(yùn)用一個(gè)兩相的質(zhì)子交換膜燃料電池模型進(jìn)行研究不同的緊固作用下擴(kuò)散層的變形形狀以及對(duì)電池性能的影響。