PEM料电池双极板与气体扩散层界面接触电阻测量与模拟.doc

PEM?燃料电池双极板与气体扩散层界面接触电阻测量与模拟????李?果?谈金祝?巩建鸣????(南京工业大学机械与动力工程学院?南京?210009)????摘要：质子交换膜(Proton?exchange?membrane,?PEM)燃料电池中双极板(Bipolar?plate,?BPP)与气体扩散层(Gas?diffusion?layer,GDL)界面接触电阻对燃料电池电化学性能有着重要影响，而螺栓夹紧力又是影响接触电阻的关键因素之一。因此，针对?PEM燃料电池中的双极板与气体扩散层，采用试验和有限元模拟相结合的方法研究螺栓夹紧力对接触电阻的影响。结果表明，随着螺栓夹紧力的增加，双极板与气体扩散层界面接触电阻呈下降趋势，起初下降较快，然后下降逐步平缓。基于有限元软件ABAQUS?开发一个力—电耦合程序预测得到了双极板与气体扩散层界面接触电阻，其结果与试验结果吻合较好。同时采用有限元法分析螺栓夹紧力对气体扩散层孔隙率变化的影响。结果表明，随着螺栓夹紧力的增加，气体扩散层孔隙率降低，特别是双极板与气体扩散层接触圆角区域，下降最为明显。????关键词：接触电阻?双极板?气体扩散层?夹紧力?孔隙率?质子交换膜燃料电池????中图分类号：TK91????0?前言????质子交换膜(Proton?exchange?membrane,?PEM)燃料电池作为新型能源的重要应用备受世界瞩目，它利用氢气作为燃料，空气或氧气作为氧化剂进行逆电解水的电化学反应产生电能，具有零污染、工作温度低和启动性能好等优点。如何降低成本、最大提升燃料电池的性能成为广大学者研究的焦点。而双极板与气体扩散层界面接触电阻对?PEM?燃料电池的电学性能有着重要影响。燃料电池封装时，螺栓夹紧力的大小是影响接触电阻的关键因素之一。螺栓夹紧力的不足使得燃料电池各组成部件之间不能很好密封，导致反应气体向外泄漏，同时使得燃料电池界面接触电阻增加，整体性能下降。但过大的夹紧力又会降低气体扩散层的孔隙率，增大气体扩散阻力甚至损伤燃料电池的组成部件。因此了解螺栓夹紧力与接触电阻的关系对最优化燃料电池性能尤为重要。????目前，已有许多学者对双极板与气体扩散层界面接触电阻进行了研究。如，MISHRA?等基于分形粗糙理论预测了双极板与气体扩散层间接触电阻。WANG?等研究了碳纸和四种不锈钢双极板之间的接触电阻。IHONEN?等用原位法研究了接触电阻与时间、夹紧力、气体压力和电流密度的关系。ZHOU?等通过预测接触电阻的变化，得到了一组双极板结构的最化化参数。XING?等建立了一个三维模型并采用全局搜索方法研究了质子交换膜燃料电池的最优化夹紧力。????但是至今仍没有一种完善的理论或方法能准确分析双极板与气体扩散层间的接触电阻。本文针对单个质子交换膜燃料电池，采用试验与有限元相结合的方法研究在不同螺栓夹紧力情况下双极板与气体扩散层界面接触电阻。同时，采用有限元法预测了螺栓夹紧力对气体扩散层孔隙率变化的影响。????1?试验研究????单个质子交换膜燃料电池，如图?1?所示，主要包括了螺栓、端板(带绝缘层，图?1?中未标出)、集流板、双极板、弹性垫片(图?1?中未标出)、气体扩散层、电解质膜。双极板带有蛇形流道。????????1.1?试验方法????为了测量?PEM?燃料电池双极板与气体扩散层界面接触电阻，进行如图?2?所示的试验。试验分两组进行：第一组试验如图?2a?所示，气体扩散层位于中间，两边分别放置双极板，双极板外放置集流板，集流板外放置带有绝缘层的端板，各部件由螺栓(图?1)固定及夹紧。夹紧力大小由数显扭力扳手读取，接触电阻由连接于两个集流板间的?SHSB?PC9A毫欧计测量，其精度为?10?μ?。第二组试验如图?2b所示，双极板位于中间，两边分别放置集流板，集流板外为带有绝缘层的端板，各部件由螺栓固定及夹紧。同样，接触电阻由毫欧计测量。所施夹紧转矩大小分别为?2?N·m，2.5?N·m，3?N·m，3.5?N·m，4?N·m，5?N·m?和?6?N·m，为方便有限元计算，将夹紧转矩转化为夹紧力，分别为?1.6?MPa、2.0MPa、2.4?MPa、2.8?MPa、3.2?MPa、4.0?MPa?和?4.8MPa。记录所测各接触电阻数值。每次试验重复三次取其平均值。?????????1.2?材料性能????试验中气体扩散层采用三种商用碳纸，其型号分别为?HCP120,?HCP020P?和?HCP030P。其他各部件均取自于燃料电池原件。碳纸部分性能由商家提供，其力学性能和双极板的性能如下表所示。?????????????不同螺栓夹紧力下作为气体扩散层的三种型号碳纸与双极板之间接触电阻的试验结果见图?3。?????????离散点为试验所测