燃料電池封裝力學(xué)及多相微流動(dòng).pdf

1、燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)裝置。由于最終產(chǎn)物只有水，燃料電池是非常環(huán)保的發(fā)電裝置。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池由于結(jié)構(gòu)緊湊、啟動(dòng)快、效率高、無(wú)噪音、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)，不僅被認(rèn)為是現(xiàn)代環(huán)保汽車的最佳動(dòng)力源，而且是潛艇等需要高隱蔽性能等軍事武器裝備的理想動(dòng)力源之一。
　　 多孔電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要部件之一，它由氣體擴(kuò)散層和催化層組成。其中氣體擴(kuò)散層是關(guān)鍵的功能結(jié)構(gòu)材料，是由隨機(jī)分布的碳纖維或正交編織的

2、碳纖維束組成的高孔隙度材料，厚度在100-300μm左右，具有較高的電導(dǎo)率和滲透性能。氣體擴(kuò)散層的主要功能有：(1)將“燃料”(陽(yáng)極中的氫氣和陰極中的氧氣或空氣)從外部?jī)?chǔ)氣設(shè)備輸送至催化層，要求具有高透氣性；(2)為反應(yīng)產(chǎn)物(水)和未反應(yīng)完的氣體提供微通道使之快速排出電極，要求具有兩相混合流的良好傳輸性能；(3)與雙極板耦合作用提供較低的界面接觸電阻：(4)作為電子和熱傳導(dǎo)的重要介質(zhì)，提供導(dǎo)電和傳熱功能；(5)作為催化劑載體，具有很高的

3、比表面積，反應(yīng)效率高；(6)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，為結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)封裝提供聯(lián)結(jié)和支撐作用。前五個(gè)功能都直接受到結(jié)構(gòu)封裝載荷的影響，第六個(gè)功能更是直接與封裝載荷相關(guān)。在燃料電池堆的封裝過(guò)程中，氣體擴(kuò)散層變形最大，并且封裝壓力作用下產(chǎn)生了非均勻壓縮變形。如果封裝壓力太大，一方面氣體擴(kuò)散層孔隙度減小，反應(yīng)效率下降：另一方面可能引起質(zhì)子交換膜等相關(guān)組件的屈服甚至破壞。但是如果封裝壓力太小，不但界面接觸電阻增大嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率，而且可能造成電池堆

4、整體結(jié)構(gòu)封裝失效或密封失效。然而以前有關(guān)質(zhì)子交換膜燃料電池的相關(guān)研究都沒(méi)有考慮封裝壓力對(duì)電池堆性能的影響，不但使燃料電池堆效率降低，而且常常造成可靠性較低等問(wèn)題。近年來(lái)，關(guān)于燃料電池結(jié)構(gòu)封裝力學(xué)越來(lái)越受到關(guān)注，研究工作集中在封裝壓力對(duì)氣體擴(kuò)散層多孔材料力學(xué)特性、物理特性、微流體傳輸特性等重要性能的影響。
　　 本文以質(zhì)子交換膜燃料電池為研究對(duì)象，以數(shù)值模擬為主要研究手段，研究了質(zhì)子交換膜燃料電池在多物理過(guò)程耦合作用下的若干力學(xué)問(wèn)

5、題，重點(diǎn)研究了燃料電池在封裝力作用下引起的一系列結(jié)構(gòu)性能和物理性能的變化規(guī)律。不但從宏觀尺度上研究了氣體擴(kuò)散層在封裝壓力作用下的力學(xué)行為、封裝載荷對(duì)燃料電池性能的影響以及大型電池堆的封裝受力和性能分析，而且在微觀尺度上研究了氣體擴(kuò)散層中微液滴的形成、長(zhǎng)大、聚集和傳輸過(guò)程，進(jìn)一步揭示了質(zhì)子交換膜燃料電池的重要反應(yīng)產(chǎn)物--水的產(chǎn)生與傳輸原理。從電池堆(尺度在分米量級(jí))、膜電極(毫米量級(jí))、氣體擴(kuò)散層纖維結(jié)構(gòu)(微米量級(jí))三個(gè)不同尺度揭示了封裝

6、壓力對(duì)燃料電池系統(tǒng)性能的影響規(guī)律和多孔電極內(nèi)的液態(tài)水傳輸機(jī)理。
　　 本文提出了氣體擴(kuò)散層和雙極板間界面的接觸電阻率模型和接觸電阻的計(jì)算方法，建立了一套用于分析多孔電極受到非均勻壓縮時(shí)燃料電池性能預(yù)報(bào)方法。首先通過(guò)有限單元法研究了在封裝壓力作用下，雙極板和多孔電極之間接觸電阻的變化規(guī)律、氣體擴(kuò)散層的變形以及孔隙度的分布規(guī)律，然后用有限體積法分析反應(yīng)物和生成物的輸運(yùn)過(guò)程。發(fā)現(xiàn)燃料電池封裝壓力導(dǎo)致氣體擴(kuò)散層的變形不但會(huì)直接影響界面接

7、觸電阻，而且會(huì)極大地影響擴(kuò)散層的孔隙度分布、氣體流道的幾何尺寸和流動(dòng)阻力，進(jìn)而影響系統(tǒng)電壓和電阻，并最終影響電池效率和工作可靠性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示當(dāng)接觸電阻可以忽略時(shí)(理想工況)燃料電池輸出功率和極限電流都隨著封裝壓縮力的增加而下降，當(dāng)考慮接觸電阻時(shí)(真實(shí)工況)存在最優(yōu)封裝壓力。研究發(fā)現(xiàn)氣體擴(kuò)散層在封裝壓力作用下的變形顯著影響燃料電池性能，尤其在高電流區(qū)域更為明顯，其影響規(guī)律取決于封裝壓力與接觸電阻和傳質(zhì)阻力間的關(guān)系。為了研究封裝載荷對(duì)

8、電池堆性能的影響，本文還提出了電池堆的封裝模型，并結(jié)合電池堆流場(chǎng)分布模型分析了大型電池堆封裝后的性能變化。
　　 不論是否考慮封裝載荷造成的氣體擴(kuò)散層非均勻壓縮，幾乎所有燃料電池理論分析模型都涉及到多孔介質(zhì)內(nèi)兩相流傳輸問(wèn)題。兩相流模型主要用來(lái)分析氣體擴(kuò)散層內(nèi)的液態(tài)水平衡問(wèn)題，也就是通常所說(shuō)的水管理技術(shù)--一項(xiàng)影響燃料電池性能和壽命最關(guān)鍵的技術(shù)難題。傳統(tǒng)的宏觀均勻化結(jié)合非飽和流理論的分析方法高效、簡(jiǎn)單，過(guò)去已經(jīng)被大量使用。但是這種

9、基于宏觀尺度的分析方法無(wú)法揭示兩相流在多孔介質(zhì)內(nèi)部傳輸?shù)谋举|(zhì)，因而不能指導(dǎo)氣體擴(kuò)散層微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因潤(rùn)濕不夠產(chǎn)生的質(zhì)子交換膜失效問(wèn)題和因排水困難產(chǎn)生的水淹問(wèn)題長(zhǎng)期得不到很好解決，這一問(wèn)題己成為燃料電池電極設(shè)計(jì)最棘手的問(wèn)題之一。本文根據(jù)微流體流動(dòng)的基本理論，采用基于簡(jiǎn)化模型的解析方法和Lattice Boltzmann方法，對(duì)氣體擴(kuò)散層多孔介質(zhì)內(nèi)的兩相流傳輸進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了微液滴在多孔電極中的形成、長(zhǎng)大、聚集和傳輸機(jī)理與規(guī)律，對(duì)研制高