质子交换膜燃料电池性能影响的分析

研究了2.0MPa,2.5MPa,3.5MPa和4.5MPa4 种不同紧固作用情况下质子交换膜燃料电池的性能变化。

紧固作用越大，则导致的扩散层的厚度越小。因此，扩散层厚度的变化可以计算出孔隙率和渗透率的变化。扩散层中空隙处的体积以及其孔隙率就可以根据下列公式的厚度变化来计算出来， 是扩散层最初的厚度和孔隙率， 是压缩后的实际厚度。

通过上述公式对数模进行模拟计算，在紧固作用下，当压力为 4.5MPa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的 61.22% ;当压力是 3.5Mpa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的77.17% ;当压力是2.5MPa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的86.98% ;当压力是2MPa 时，脊部下方的平均孔隙率是原来的89.92%.所以紧固压力越大，平均孔隙率越小。

图2给出了4 种模型的极化曲线。它们分别表示了在不同的紧固作用下的电池的性能变化情况。由图中可以看出，在一定的范围内，燃料电池的性能先提高后降低。当夹紧力为3.5MPa 时，燃料电池的性能达到最佳状态。而4.5MPa 时则出现了明显的波动。根据我们之前的分析来判断，这显然是由于紧固作用加大了电导率，改善了性能，导致燃料电池的性能提高。而后的燃料电池性能下降则是因为阴极扩散层中水含量逐步增大，引起的有效孔隙率的降低所导致。

五、结论

本文章根据有限元理论，利用CATIA 软件和ANSYS 软件作为研究工具，具体研究了质子交换膜燃料电池受到极板的紧固作用发生的弹性形变，以及由此引发的电池内部发生各种物理和化学的变化，对物质传输影响，以及对电池性能的影响。

1)通过将ANSYS 软件计算后的结果与理论值进行分析对比，得出了紧固作用的增大和孔隙率的减小对于燃料电池的性能既有提高的影响也有降低的影响。孔隙率大的增加了传输通道，可以让反应物和生成物更轻松的通过。而孔隙率小的意味着通道比较狭小，会使得反应物和生成物堵塞。

2)扩散层的孔隙率变小，会使传输质量变差，但是电池的内阻也会随之变小。另外，扩散层厚度的变小，电池的导电率变强，这样非常有利于电荷的传导。因此，最佳的孔隙率应取一个折中的方案。

3)有限元模型可以对电池的装配参数和运行参数做更进一步的综合研究，并且可以对电池的优化研究提供有效的设计工具。

由以上分析结果可知，随着夹紧力的增大， 孔隙率会逐渐减小， 并且会影响催化层和扩散层的水含量， 直接影响电池性能。