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

1、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(Protonexchangemembrane,PEM)燃料电池中双极板(Bipolarplate,BPP)与气体扩散层(Gasdiffusionlayer,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

2、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：TK910前言质子交换膜(Protonexchangemembrane,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

3、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

4、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

5、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SHSBPC9A毫欧计测量，其精度为10。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，

6、接触电阻由毫欧计测量。所施夹紧转矩大小分别为2Nm，2.5Nm，3Nm，3.5Nm，4Nm，5Nm和6Nm，为方便有限元计算，将夹紧转矩转化为夹紧力，分别为1.6MPa、2.0MPa、2.4MPa、2.8MPa、3.2MPa、4.0MPa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

7、测结果，三条曲线为试验结果拟合所得。可以看到，接触电阻随着螺栓夹紧力的增加而下降，对于HCP120夹紧力从1.6MPa到2.8MPa时接触电阻下降较快，然后逐渐下降平缓。而对于不带填平层的HCP020P和HCP030P，当夹紧力为1.6MPa到2.0MPa时接触电阻下降较快，然后逐渐下降平缓。这主要是由于接触表面粗糙，接触开始时，并非两个平面完全接触，而是这些表面不平的凹凸粒子相互接触，随着夹紧力的增大，接触粒子越来越多，接触面积越来越大，因此接触电阻下降较快，之后，接触粒子增加到一定程度，接触面积增加缓慢，因此接触电阻下降较慢且平缓。从图3中还可看出带填平层碳纸HCP120的接触电阻比不带填

8、平层碳纸HCP020P和HCP030P的接触电阻总体上要大，但随着夹紧力的增大下降也较快。同样不带填平层的碳纸，其厚度越大，接触电阻相对也较大。2有限元模拟利用有限元软件ABAQUS开发了一个力电耦合的程序，模拟预测了双极板与气体扩散层界面接触电阻率随着夹紧力变化的趋势及数值大小。2.1几何模型及材料参数带有蛇形流道的双极板与气体扩散层接触面的剖面图如图4a所示。几何尺寸如图4b所示。有限元模拟时，气体扩散层材料采用HCP120碳纸，其材料性能及双极板材料性能见表。2.2网格划分此模型中，气体扩散层刚度相对较小，易受压变形，因此该问题为非线性大变形接触问题，假设其变形在弹性范围内。为了节省计算

9、空间，考虑几何对称性，有限元分析选取如图4a所示的双极板与气体扩散层接触几何模型。模型网格划分如图5a所示，双极板与气体扩散层局部接触区域网格放大图见图5b。双极板划分74306个节点和71683个单元，气体扩散层划分1375个节点和1240个单元。双极板与气体扩散层网格单元类型因计算类型不同而不相同，力、电学计算和孔隙率计算单元类型分别采用CPS4I、CPE4P和DC2D4E。2.3边界条件及载荷力学边界条件及载荷。模型的底边加固定边界条件，模型左右由于其几何对称性加对称边界条件。将试验中所加扭矩近似转化为均布载荷并依次施加于模型顶端。电学边界条件及载荷。模型的底边约束电动势为零，模型顶端施

10、加1mA电流。2.4接触电阻率在不同的螺栓夹紧力下，PEM燃料电池双极板与气体扩散层界面接触电阻的有限元模拟结果如图6所示，可以看出接触电阻随着夹紧力的增加，其接触电阻不断降低。有限元模拟结果与试验所测结果变化趋势一致且数值大小较为接近。由此可见，该有限元程序可以较好地预测PEM燃料电池双极板与气体扩散层界面接触电阻。2.5孔隙率用作气体扩散层的碳纸为多孔弹性材料，当其受压时孔隙率将发生改变。PEM燃料电池中，螺栓夹紧力的增加，有利于减小双极板与气体扩散层之间的接触电阻，提高燃料电池的性能，同时，夹紧力的增大，将使气体扩散层的孔隙率减小，从而增加了气体扩散阻力，影响燃料电池整体性能。因此，对各

11、种螺栓夹紧力下气体扩散层(HCP020P)的孔隙率变化进行了有限元模拟。有限元模拟结果见图7。图7a、7b分别为气体扩散层在最小夹紧力1.6MPa与最大夹紧力4.8MPa作用下孔隙率变化云图。由图7a、7b可以看出气体扩散层孔隙率变化沿中心线左右对称，在双图7孔隙率随夹紧力变化极板与气体扩散层接触区域，孔隙率变化较大，特别是双极板圆角区域与气体扩散层接触处孔隙率最低；中间接触区域较为均匀；未接触区域孔隙率几乎没有变化。这是由于在双极板与气体扩散层接触区域受压变形较大所致。随着压力的增加，双极板与气体扩散层接触区域孔隙率越低。为进一步了解孔隙率的变化，选取由接触中心至边缘处为路径1(图7a)，路

12、径1上各节点在不同夹紧力下的孔隙率变化如图7c所示。由图7c也可看出，在双极板圆角与气体扩散层接触区域孔隙率急剧下降，图7a中下降最大区域降为61.9%，图7b中下降最大区域降到了47.63%；未接触区域孔隙率变化不明显保持在75%左右，从双极板与气体扩散层圆角接触区到接触中心孔隙率下降明显且比较均匀。如图7a中，由75%下降到65%左右，而图7b中则由75%下降到51%左右；取孔隙率变化最大节点1(图7b)，其随着夹紧力的变化趋势如图7d所示，夹紧力越大，孔隙率越低，几乎呈现线性变化。气体扩散层孔隙率的降低将增加气体扩散阻力，从而影响燃料电池的整体性能。3结论(1)试验结果表明，随着螺栓夹紧

13、力的增加，接触电阻呈下降趋势，刚开始接触时接触电阻下降较快，然后下降逐渐趋于平稳。增加螺栓夹紧力可以有效减小接触电阻，从而提高燃料电池的性能。(2)开发了一个力电耦合的ABAQUS程序模拟得到了在不同螺栓夹紧力作用下的接触电阻的变化趋势及数值大小，并将有限元模拟结果与试验结果进行了比对，有限元结果与试验结果吻合较好。(3)使用有限元法预测了螺栓夹紧力对气体扩散层孔隙率的影响。结果表明螺栓夹紧力的增加会使气体扩散层孔隙率降低，增加气体扩散阻力，降低燃料电池整体性能。(4)通过螺栓夹紧力对接触电阻和孔隙率影响的研究，反映出为保证PEM燃料电池的综合性能，合适的螺栓夹紧力是十分重要的，须加以进一步研

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