燃料电池封装载荷对传质传热影响的研究进展

赵小军,潘凤文,王彦波,王晓阳,李明阳

(潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

化石燃料枯竭和长期气候变化的双重压力，迫使我们必须摆脱目前基于碳的燃料经济。在各种替代方案中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是一种很有前途的能量转换技术。PEMFC 是一种电化学装置，通过电化学反应将活性物质的化学能直接转化为电能，副产物只有水和热量。此外，与热力发动机不同，工作过程不受卡诺循环限制，具有高效率、零污染、结构简单和低噪声的特点，在连续供电电源，住宅热电联产，交通运输，监控设备，便携式电源，辅助动力装置等领域具有广阔应用前景。

单个燃料电池在开路时仅能产生1 V 左右的电势，而且工作时由于电流密度的不同会进一步降低至0.6～0.7 V，这对于实际应用来说太低。为满足大功率需求，PEMFC 一般由数百个单电池组成，通过两侧的端板在适当的夹紧力下紧密的封装在一起，形成所谓的燃料电池堆[1-3]。图1 为PEMFC 电堆结构示意图。

图1 PEMFC 电堆结构示意图[3]

在燃料电池堆成堆过程中封装载荷通过紧固连接件施加在端板，研究表明，封装载荷会影响到电堆内的“三传一反”，即质量传输、动量传输、热量传输以及电化学反应。不合理的封装载荷是造成电堆性能不佳与电堆组件失效破坏的主要原因之一，主要体现在气体扩散层受压变形影响其传质特性以及与相邻部件的接触电阻。在较低的封装压力下，增加封装压力会降低双极板(BPP)和气体扩散层(GDL)之间的界面电阻，从而提高PEMFC 的电化学性能。相反，在高封装压力下，增加封装压力不仅会降低上述欧姆电阻，还会缩小从气路到催化剂层的传质扩散路径[4]。Montanini 等[5]提出了一种同时测量燃料电池封装压力分布和端板变形的组合方法，用于研究膜电极(MEA)组件的实际压力分布、端板的平面外变形和施加的夹紧力矩之间的相关性。测量结果表明，在点载荷设计中，端板变形和密封垫片与MEA 之间的厚度不匹配对压力大小和分布都有影响。此外，随着夹紧力矩从5 N·m 增加到10 N·m，MEA 的平均压力略有增加(+25%)，但在密封垫片上压力单调增加，局部峰值超过传感器阵列的饱和水平。此方法有助于下一代燃料电池的设计，或可作为详细有限元建模的验证工具。

1 水传输

在封装载荷作用下，包括GDL 和质子交换膜(PEM)在内的几乎所有的堆芯构件都会发生一定程度的变形，从而影响电堆内水和反应气体的传输。假设BPP 脊的横截面为矩形，尽管脊下方的GDL 可能被均匀压缩，但面向流道的GDL 会产生不均匀变形并可能侵入流道。因此，由于流道位置GDL的高孔隙度和高渗透率，质量输运倾向于向流道中部增加。封装载荷的这种不均匀分布，加之操作条件的多样性，使得封装载荷对质量输运影响的研究变得异常复杂。通常，水会通过反应气体从外部引入，加湿PEM 以确保良好的离子传导性。此外，在电化学反应期间，在阴极催化剂层上还会产生水。低水含量会导致PEM 脱水(膜干)和离子电导率下降，而过量的水会导致阴极“水淹”。显然，水管理是PEMFC 实现高电流密度的关键问题，液态水保持率不仅取决于水的产生率，还取决于水的运输率[6-8]。

1.1 GDL 压缩对水传输的影响

PEMFC 各组件中，双极板、集流板、密封件和端板的刚度要远大于GDL 和PEM，在电堆封装过程中，GDL 层和PEM 最易发生形变，因此GDL 对水传输和燃料电池运行性能有着显著影响。Mahmoudi 等[9]采用二维、等温、两相、多组分输运模型，研究了PEMFC 阴极侧非均匀压缩对水传输和电池性能的影响。结果表明，GDL 变形后，不仅降低了电池的排水性能，而且降低了反应物向反应场所的扩散输运，表现出电池极限电流密度和最大输出功率的下降。此外，研究证明GDL 35%的压缩水平对电池在单相区域的性能没有显著影响，但这一水平的压缩对电池在两相区域的性能影响非常大。结果，电池的极限电流密度和最大输出功率降低了约25%。此外，将压缩水平从10%提高到35%，导致GDL 的存水量增加，反应气体输运受限，性能损失增大(即使在单相区域)，在35%的高压缩水平下，极限电流密度和最大输出功率下降了25.1%。Wu 等[10]利用中子照相技术定量分析了封装载荷对整个电极区域(自制25 cm2单体电池)的水滴数和中间水滴表面积的影响。结果表明，封装压缩载荷为1.0 MPa 时，电池的最大功率密度分别比1.8 和2.3 MPa 时增大了3.2%和7.8%。这可能是由于在较高的封装压缩压力下，GDL 孔隙率降低，BPP 脊弯曲系数增大，造成质量输运区液态水溢出，导致电池性能下降。为了更直观地观测电堆内部水的输运模式，Afra 等[11]利用透明GDL 实验模拟了PEMFC 中水的迁移过程，并对其毛细管驱动机理进行了研究，验证了在GDL 内部添加微孔层对溢水的影响。研究发现，采用微孔层并增加其厚度，使电池内非润湿性流体的体积减少到38%，GDL 内的水饱和度降低，电池性能得到改善。图2 为不同封装载荷对单元电池内液态水厚度、液态水数量及电压的影响。

图2 不同封装载荷对单元电池内液态水厚度、液态水量及电压的影响[10]

1.2 PEM 压缩对水传输的影响

为准确表征PEMFC 运行性能，需了解机械和电化学负载对电池组件的影响，尤其是封装载荷对聚合物膜的吸水行为和传输特性的影响。Nazarov 等[12]通过分析Nafion 型聚合物电解质膜燃料电池内水传输的非平衡力平衡模型，发现机械压缩使水在PEM 厚度上分布更加均匀，对湿润多水的阴极一侧的压缩大于干燥的阳极一侧，机械压缩将使膜内含水量减少5%～30%，使膜内水的反扩散减少20%。膜内水含量的降低会影响其离子传导性，为了研究封装载荷下PEM 的吸水性，Kusoglu 等[13]通过改变聚合物骨架内的溶胀压力来模拟压缩膜的溶胀，此膨胀压力依赖于聚合物的微观体积的变化，通过原位膨胀压缩实验和中子成像成功地预测了压缩膜的含水量。结果表明，外加机械载荷会降低膜的含水量和电导率，尤其是在低温和高湿度条件下。但应该指出的是，考虑到典型的燃料电池工作条件和电池组压力，膜压缩对电池组性能的影响预计不会像其他与压缩相关的问题(如接触电阻)那样重要。

2 热传输

在PEMFC 的设计和使用过程中，透过GDL 的热传递是一个十分关键的物理过程，此过程的分析需要确定有效导热系数，以及GDL 与相邻表面/层之间的热阻。

2.1 封装载荷对导热系数和热阻的影响

当将两种相似或不同的金属材料压在一起形成接合点时，由于接触表面的不平整度和粗糙度，实际上只有一小部分标称表面积产生接触。如果在结上施加热通量，则均匀的热流通常会限制通过接触点的传导。接触点的数量和大小有限，导致实际接触面积远小于表观接触面积，如果构成结的表面之间存在明显的温差，则在接触表面之间的间隙之间也会发生通过辐射的热交换，该有限的接触面积将会引起热阻。传统认为PEMFC 中热阻随GDL 孔隙率的增大而增大，但此观点是不正确的。在特定的情况下，两个接触体的孔隙率若超过某个临界值，接触电阻反而会下降。Sadeghifar 等[14]通过在一定封装压力范围内测量GDL 上微孔层的热阻对此进行了验证(假设传热为稳态；恒定的热物理性质；GDL 为圆柱形纤维；MPL 为球形碳粒子；各处形变为弹性变形；机械接触为静态，即无振动影响)。孔隙率接触电阻的反直观降低可以在能量转换系统中具有重要应用。通过增加多孔材料的孔隙度，在不影响接触电阻或欧姆损失的情况下，这一特性可以改善多孔材料的质量和传热、扩散率和渗透率，为开发具有更高孔隙率和更低接触电阻的新材料开辟新途径。El Oualid 等[15]利用测量接触电阻和施加到GDL 上的静态机械压力的实验方法，观察到接触电阻相对于机械应力的非线性行为。这种不同封装载荷下接触电阻的预测方法，被应用于现有的计算流体动力学(CFD)，结果发现，GDL 中电流主要分布在与流道脊接触位置很窄的区域内，然后再重新分布到流道上方的BPP 中。流道/脊结构促使了电池在平面方向上电导率的不均匀性，而且在封装载荷作用下，BPP 中靠近流道拐角处是电流的集中区域。当封装载荷大于2 MPa 时，在垂直界面上，GDL 和BPP 之间会产生额外的接触区域，由于GDL侵入BPP，流道中间下方的电流必须跨越更长的距离。因此，当电池在低于1 MPa 的封装载荷下运行时，可获得最佳的电池性能[16]。图3 为封装载荷对GDL 形状和性能的影响。

图3 封装载荷对GDL形状和性能的影响

组件间的接触电阻与组件间的结合紧密程度密切相关，电堆内部组件间的接触电阻约占总欧姆损失的三分之二，且沿GDL/BPP 界面呈非线性分布，在非均匀压缩条件下GDL的有效体电阻比均匀压缩条件下降近40%，此有效体积的降低主要源于BPP 脊下和流道内的压力分布不均匀[17]。非均匀压缩下GDL 体导热系数和接触电阻测量发现，在0.34～1.71 MPa 的封装压力范围内，GDL 与BPP 之间的微观接触面积增大(GDL TGP-H-060)，热阻随压力增大呈非线性减小(从3.8×10-4减小到1.17×10-4K·m2·W–1)；而有效体热导率随压缩压力的增大而增大(从0.56 增大到1.42 W·m-1·K-1)[18]。

燃料电池系统是一个多物理场耦合作用的工作环境，影响因素异常复杂，对于部件间接触电阻的实验测量工作周期长，测试环境要求苛刻，实验成本高，多尺度可视化仿真研究是一种行之有效的方法，仿真分析可直观、全面的观察内部组件间接触电阻的分布状态，对于接触电阻的机理研究具有很好的辅助作用。Atyabi 等[19]通过建立燃料电池的三维多相模型(单根直流道，不考虑流道内壁粗糙度；流道内流体为层流，且模型为稳态)，仿真研究了封装载荷对GDL 与BPP 界面接触电阻的影响。研究表明，随着封装载荷的增加，GDL 和BP 界面接触电阻减小，同时电极侧尤其是阴极侧温度升高，而且反应气的分布更加均匀(如图4 所示)。

图4 不同封装压力下电流和温度分布的仿真结果[19]

2.2 封装载荷对热均匀性的影响

较大的局部或空间温度梯度会影响PEM 的耐久性，进而影响燃料电池堆系统的耐久性。在许多方面，为了减少在PEM 中形成的发热点并提高电池耐用性，人们期望提高电池热均匀性，而PEM 内温度分布高度依赖于封装载荷已被广泛接受。Fekrazad 等[20]结合电池堆内部区域几何形状所允许的周期性边界条件建立了PEMFC 电堆的二维稳态模型(假设氢气与空气为理想气体，且100%加湿；流道内部流体为层流；PEM 完全100%加湿，电导率仅为温度的函数，且膜内质子浓度为常数)。分析发现，增加的封装压力降低了GDL 的接触电阻和渗透性，改变了电堆内部的温度分布，提高了电堆的性能。PEM 内最高温度的位置和温差高度依赖于载荷压力，电池堆内的平均温度在封装压力为0.2 MPa 时达到最大。随后，他们进一步将二维模型扩展至三维，以模拟燃料电池对空间不均匀封装载荷的响应。提出了非均匀封装压力分布在燃料电池堆组装中的应用，也就是说，在流道出口附近施加较小的封装压力，而在流道入口附近施加较大的封装压力。这些预测表明，以这种方式组装的电池堆内部的热条件可以变得更加均匀，而对功率输出和最高膜温度的影响可以忽略不计。他们还建议将BPP 温度用作确定最佳电池堆封装载荷的指标，该载荷会使电堆内部处于近乎等温状态。为了研究GDL 渗透率的变化对由封装载荷引起的电池性能的影响，Ahmed 等[21-22]对流道和脊部区域具有不同物理特性(各向同性或各向异性)渗透率的GDL 进行了数值研究，并确定PEMFC 中温度分布对脊部区域的渗透率更为敏感。在脊部区域具有低渗透率的各向异性GDL 中，热传输完全取决于除水过程，因为低渗透率会增加GDL 中的流动阻力并导致电池温度升高。

3 结论

在PEMFC 成堆工艺过程中，需要将相应大小的载荷通过端板施加到电堆内部组件以防止反应气体的泄漏。研究发现，封装载荷的存在会改善电堆内部组件间的接触电阻，减少电阻或热阻损失，提高电堆内的电子传导性和导热性，从而提高电池的整体性能。但是，施加的封装载荷同时会降低GDL 的孔隙率和渗透性，甚至破坏GDL 的性能。过低的GDL 渗透性会削弱水的传输(严重时产生阴极水淹)，阻碍反应气体从流道向催化剂层转移，降低电池性能。因此，在实际应用中，电堆封装载荷的选取要综合考虑，以电池堆性能与使用耐久性为前提合理选取。另一方面，PEMFC 成堆过程中面临的另一个问题是如何在电池内部组件上实现封装载荷的均匀分布。封装载荷分布不均匀会导致内部组件界面间接触压力的分布不均匀，引起GDL 和PEM 的不均匀变形，这种不均匀会严重降低电池堆的性能。因此，在PEMFC 设计和制造中要确保各组件接触界面间压力大小和分布的均匀性。