在燃料电池堆装配过程，电堆两侧端板通常会被施加一定的预紧力以保证电堆的密封性及不同部件与结构之间的良好接触，然而这种预紧力会引起电池内部各部件结构的改变。考虑到燃料电池双极板(bipolar plate)及膜电极(membrane electrolyte assembly)两大部件及其内部结构的力学属性，由压缩引起的最大形变将发生于膜电极内孔隙率最大的气体扩散层(gas diffusion layer)结构内。气体扩散层是膜电极最外层的结构，连接了加工于极板上的流道(flow channel)与燃料电池电化学反应的核心结构催化层(catalyst layer)，起到进一步分配气、水、热、电的作用，并提供一定的支撑性。因此扩散层的压缩形变将会影响其内部的多物理传输过程，进而影响燃料电池及电堆的性能。若能够对该影响加以量化，则可以实现对于压缩引起的电池性能变化的准确预测。

图1 气体扩散层碳纸材料微观结构

 

针对此问题，我们建立了四种模型，以模拟扩散层压缩、配气、排水、导电（导热）过程，并针对这四种模型进行了较为全面的验证。首先，我们通过一种随机延伸(stochastic orientation)方法重构了气体扩散层非各向同的纤维多孔结构（如图1）；随后，我们用过有限元方法(FEM)模拟了不同压力下气体扩散层的形变情况并输出了形变结构（如图2左）；基于上一步获得的压缩气体扩散层结构，我们在每一个压缩比(compression ratio)情况下分别建立沿垂直极板平面(through-plane)及平行极板平面(in-plane)的气体扩散、液体渗透、固体导电、导热模型（如图2右），由于气体扩散层中导电与导热过程机理类似，我们将两中传输现象用一组模型代替。

 

图2 气体扩散层压缩及流、固体传输模型计算域

为保证模型准确性，我们分别对网格独立性、应力-应变曲线、压缩比-孔隙率曲线以及不同孔隙率下两个方向的有效扩散系数、固有渗透率、有效导电系数进行了验证（如图3），实现了与理论预测及实验结果的较好吻合。

 

图3 气体扩散层压缩、气体扩散、液体渗透、导热导电模型验证

研究发现，由于气体扩散层碳纸材料具有二维特征纤维状结构，压缩形变对于in-plane(IP)方向传输的影响通常比through-plane(TP)方向传输更为明显。通过对压缩结构断面上物理参数通量（如图4，气体扩散通量）的观测，我们发现气体扩散层的压缩会显著降低相邻碳纤维在TP方向之间的间距，进而减少扩散层孔隙结构中沿IP方向的微通道的面积及数量，进而降低扩散层整体的传输速率。相比之下，TP方向的传输则受到较小的影响。对于发生在固体域中的导电、导热过程，压缩的作用则恰恰相反。压缩引起的相邻纤维的合并将为IP方向热与电子的传输创造新的通路（下图5），进而提升扩散层整体的有效电导率、热导率。不过，虽然压缩对于IP方向传输的影响要比TP方向更为显著，TP方向的导电/热能力的提升比例却比IP方向更大，原因在于TP方向的未压缩（初始）情况下有效导电/热系数过低。

 

图4 氧气浓差扩散通量分布图

 

图5 温度、电势梯度分布图

为量化压缩程度对于不同传输过程的影响，我们将不同压缩比下的传输性质绘制成了一系列曲线（如图6）。同时进一步探索扩散层压缩对于电池输出性能的影响，我们将这些曲线总结为了两套公式，分别适用于孔隙率接近60%与73%的气体扩散层（如图7）。基于该公式，我们将不同传输属性对于压缩的敏感性进行了排序，对于孔隙率73%附近的气体扩散层（最敏感至最不敏感）：TP有效电/热导率、IP固有渗透率、TP固有渗透率、IP有效电/热导率、IP有效扩散系数、TP有效扩散系数。对于孔隙率60%附近气体扩散层：IP固有渗透率、TP有效电/热导率、TP固有渗透率、IP有效扩散系数、TP有效扩散系数、IP有效电/热导率。除对燃料电池内部传热传质过程进行探讨外，我们希望上述结构能够为膜电极设计及燃料电池工况优化提供参考。

 

图6 不同传输参数随压缩比增加的变化规律

 

图7 不同孔隙率下传输参数与压缩比变化关系

 

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原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121608