PEM 燃料電池雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻測量與模擬

1、PEM燃料電池雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻測量與模擬李果談金祝鞏建鳴(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院南京210009)摘要：質(zhì)子交換膜(Protonexchangemembrane,PEM)燃料電池中雙極板(Bipolarplate,BPP)與氣體擴散層(Gasdiffusionlayer,GDL)界面接觸電阻對燃料電池電化學性能有著重要影響，而螺栓夾緊力又是影響接觸電阻的關鍵因素之一。因此，針對PEM燃料電池中的雙極板與氣體擴散層，采用試驗和有限元模擬相結合的方法研究螺栓夾緊力對接觸電阻的影響。結果表明，隨著螺栓夾緊力的增加，雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻呈下降趨勢，起初下降較快，然后下降

2、逐步平緩。基于有限元軟件ABAQUS開發(fā)一個力電耦合程序預測得到了雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻，其結果與試驗結果吻合較好。同時采用有限元法分析螺栓夾緊力對氣體擴散層孔隙率變化的影響。結果表明，隨著螺栓夾緊力的增加，氣體擴散層孔隙率降低，特別是雙極板與氣體擴散層接觸圓角區(qū)域，下降最為明顯。關鍵詞：接觸電阻雙極板氣體擴散層夾緊力孔隙率質(zhì)子交換膜燃料電池中圖分類號：TK910前言質(zhì)子交換膜(Protonexchangemembrane,PEM)燃料電池作為新型能源的重要應用備受世界矚目，它利用氫氣作為燃料，空氣或氧氣作為氧化劑進行逆電解水的電化學反應產(chǎn)生電能，具有零污染、工作溫度低和啟動性能好等優(yōu)

3、點。如何降低成本、最大提升燃料電池的性能成為廣大學者研究的焦點。而雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻對PEM燃料電池的電學性能有著重要影響。燃料電池封裝時，螺栓夾緊力的大小是影響接觸電阻的關鍵因素之一。螺栓夾緊力的不足使得燃料電池各組成部件之間不能很好密封，導致反應氣體向外泄漏，同時使得燃料電池界面接觸電阻增加，整體性能下降。但過大的夾緊力又會降低氣體擴散層的孔隙率，增大氣體擴散阻力甚至損傷燃料電池的組成部件。因此了解螺栓夾緊力與接觸電阻的關系對最優(yōu)化燃料電池性能尤為重要。目前，已有許多學者對雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻進行了研究。如，MISHRA等基于分形粗糙理論預測了雙極板與氣體擴散層間接觸

4、電阻。WANG等研究了碳紙和四種不銹鋼雙極板之間的接觸電阻。IHONEN等用原位法研究了接觸電阻與時間、夾緊力、氣體壓力和電流密度的關系。ZHOU等通過預測接觸電阻的變化，得到了一組雙極板結構的最化化參數(shù)。XING等建立了一個三維模型并采用全局搜索方法研究了質(zhì)子交換膜燃料電池的最優(yōu)化夾緊力。但是至今仍沒有一種完善的理論或方法能準確分析雙極板與氣體擴散層間的接觸電阻。本文針對單個質(zhì)子交換膜燃料電池，采用試驗與有限元相結合的方法研究在不同螺栓夾緊力情況下雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻。同時，采用有限元法預測了螺栓夾緊力對氣體擴散層孔隙率變化的影響。1試驗研究單個質(zhì)子交換膜燃料電池，如圖1所示，主要

5、包括了螺栓、端板(帶絕緣層，圖1中未標出)、集流板、雙極板、彈性墊片(圖1中未標出)、氣體擴散層、電解質(zhì)膜。雙極板帶有蛇形流道。1.1試驗方法為了測量PEM燃料電池雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻，進行如圖2所示的試驗。試驗分兩組進行：第一組試驗如圖2a所示，氣體擴散層位于中間，兩邊分別放置雙極板，雙極板外放置集流板，集流板外放置帶有絕緣層的端板，各部件由螺栓(圖1)固定及夾緊。夾緊力大小由數(shù)顯扭力扳手讀取，接觸電阻由連接于兩個集流板間的SHSBPC9A毫歐計測量，其精度為10。第二組試驗如圖2b所示，雙極板位于中間，兩邊分別放置集流板，集流板外為帶有絕緣層的端板，各部件由螺栓固定及夾緊。同樣，

6、接觸電阻由毫歐計測量。所施夾緊轉(zhuǎn)矩大小分別為2Nm，2.5Nm，3Nm，3.5Nm，4Nm，5Nm和6Nm，為方便有限元計算，將夾緊轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為夾緊力，分別為1.6MPa、2.0MPa、2.4MPa、2.8MPa、3.2MPa、4.0MPa和4.8MPa。記錄所測各接觸電阻數(shù)值。每次試驗重復三次取其平均值。1.2材料性能試驗中氣體擴散層采用三種商用碳紙，其型號分別為HCP120,HCP020P和HCP030P。其他各部件均取自于燃料電池原件。碳紙部分性能由商家提供，其力學性能和雙極板的性能如下表所示。不同螺栓夾緊力下作為氣體擴散層的三種型號碳紙與雙極板之間接觸電阻的試驗結果見圖3。離散點為試驗所

7、測結果，三條曲線為試驗結果擬合所得?？梢钥吹剑佑|電阻隨著螺栓夾緊力的增加而下降，對于HCP120夾緊力從1.6MPa到2.8MPa時接觸電阻下降較快，然后逐漸下降平緩。而對于不帶填平層的HCP020P和HCP030P，當夾緊力為1.6MPa到2.0MPa時接觸電阻下降較快，然后逐漸下降平緩。這主要是由于接觸表面粗糙，接觸開始時，并非兩個平面完全接觸，而是這些表面不平的凹凸粒子相互接觸，隨著夾緊力的增大，接觸粒子越來越多，接觸面積越來越大，因此接觸電阻下降較快，之后，接觸粒子增加到一定程度，接觸面積增加緩慢，因此接觸電阻下降較慢且平緩。從圖3中還可看出帶填平層碳紙HCP120的接觸電阻比不帶填

8、平層碳紙HCP020P和HCP030P的接觸電阻總體上要大，但隨著夾緊力的增大下降也較快。同樣不帶填平層的碳紙，其厚度越大，接觸電阻相對也較大。2有限元模擬利用有限元軟件ABAQUS開發(fā)了一個力電耦合的程序，模擬預測了雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻率隨著夾緊力變化的趨勢及數(shù)值大小。2.1幾何模型及材料參數(shù)帶有蛇形流道的雙極板與氣體擴散層接觸面的剖面圖如圖4a所示。幾何尺寸如圖4b所示。有限元模擬時，氣體擴散層材料采用HCP120碳紙，其材料性能及雙極板材料性能見表。2.2網(wǎng)格劃分此模型中，氣體擴散層剛度相對較小，易受壓變形，因此該問題為非線性大變形接觸問題，假設其變形在彈性范圍內(nèi)。為了節(jié)省計算

9、空間，考慮幾何對稱性，有限元分析選取如圖4a所示的雙極板與氣體擴散層接觸幾何模型。模型網(wǎng)格劃分如圖5a所示，雙極板與氣體擴散層局部接觸區(qū)域網(wǎng)格放大圖見圖5b。雙極板劃分74306個節(jié)點和71683個單元，氣體擴散層劃分1375個節(jié)點和1240個單元。雙極板與氣體擴散層網(wǎng)格單元類型因計算類型不同而不相同，力、電學計算和孔隙率計算單元類型分別采用CPS4I、CPE4P和DC2D4E。2.3邊界條件及載荷力學邊界條件及載荷。模型的底邊加固定邊界條件，模型左右由于其幾何對稱性加對稱邊界條件。將試驗中所加扭矩近似轉(zhuǎn)化為均布載荷并依次施加于模型頂端。電學邊界條件及載荷。模型的底邊約束電動勢為零，模型頂端施

10、加1mA電流。2.4接觸電阻率在不同的螺栓夾緊力下，PEM燃料電池雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻的有限元模擬結果如圖6所示，可以看出接觸電阻隨著夾緊力的增加，其接觸電阻不斷降低。有限元模擬結果與試驗所測結果變化趨勢一致且數(shù)值大小較為接近。由此可見，該有限元程序可以較好地預測PEM燃料電池雙極板與氣體擴散層界面接觸電阻。2.5孔隙率用作氣體擴散層的碳紙為多孔彈性材料，當其受壓時孔隙率將發(fā)生改變。PEM燃料電池中，螺栓夾緊力的增加，有利于減小雙極板與氣體擴散層之間的接觸電阻，提高燃料電池的性能，同時，夾緊力的增大，將使氣體擴散層的孔隙率減小，從而增加了氣體擴散阻力，影響燃料電池整體性能。因此，對各

11、種螺栓夾緊力下氣體擴散層(HCP020P)的孔隙率變化進行了有限元模擬。有限元模擬結果見圖7。圖7a、7b分別為氣體擴散層在最小夾緊力1.6MPa與最大夾緊力4.8MPa作用下孔隙率變化云圖。由圖7a、7b可以看出氣體擴散層孔隙率變化沿中心線左右對稱，在雙圖7孔隙率隨夾緊力變化極板與氣體擴散層接觸區(qū)域，孔隙率變化較大，特別是雙極板圓角區(qū)域與氣體擴散層接觸處孔隙率最低；中間接觸區(qū)域較為均勻；未接觸區(qū)域孔隙率幾乎沒有變化。這是由于在雙極板與氣體擴散層接觸區(qū)域受壓變形較大所致。隨著壓力的增加，雙極板與氣體擴散層接觸區(qū)域孔隙率越低。為進一步了解孔隙率的變化，選取由接觸中心至邊緣處為路徑1(圖7a)，路

12、徑1上各節(jié)點在不同夾緊力下的孔隙率變化如圖7c所示。由圖7c也可看出，在雙極板圓角與氣體擴散層接觸區(qū)域孔隙率急劇下降，圖7a中下降最大區(qū)域降為61.9%，圖7b中下降最大區(qū)域降到了47.63%；未接觸區(qū)域孔隙率變化不明顯保持在75%左右，從雙極板與氣體擴散層圓角接觸區(qū)到接觸中心孔隙率下降明顯且比較均勻。如圖7a中，由75%下降到65%左右，而圖7b中則由75%下降到51%左右；取孔隙率變化最大節(jié)點1(圖7b)，其隨著夾緊力的變化趨勢如圖7d所示，夾緊力越大，孔隙率越低，幾乎呈現(xiàn)線性變化。氣體擴散層孔隙率的降低將增加氣體擴散阻力，從而影響燃料電池的整體性能。3結論(1)試驗結果表明，隨著螺栓夾緊

13、力的增加，接觸電阻呈下降趨勢，剛開始接觸時接觸電阻下降較快，然后下降逐漸趨于平穩(wěn)。增加螺栓夾緊力可以有效減小接觸電阻，從而提高燃料電池的性能。(2)開發(fā)了一個力電耦合的ABAQUS程序模擬得到了在不同螺栓夾緊力作用下的接觸電阻的變化趨勢及數(shù)值大小，并將有限元模擬結果與試驗結果進行了比對，有限元結果與試驗結果吻合較好。(3)使用有限元法預測了螺栓夾緊力對氣體擴散層孔隙率的影響。結果表明螺栓夾緊力的增加會使氣體擴散層孔隙率降低，增加氣體擴散阻力，降低燃料電池整體性能。(4)通過螺栓夾緊力對接觸電阻和孔隙率影響的研究，反映出為保證PEM燃料電池的綜合性能，合適的螺栓夾緊力是十分重要的，須加以進一步研

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