質(zhì)子交換膜燃料電池單電池接觸壓強(qiáng)分布研究

摘要：針對(duì)螺栓緊固式質(zhì)子交換膜燃料電池單電池接觸壓強(qiáng)分布開展試驗(yàn)研究。運(yùn)用壓敏紙與配套讀數(shù)軟件，測(cè)量不同緊固力下雙極板和膜電極間的接觸壓強(qiáng)，分析其與緊固力的關(guān)系，揭示室溫下流場(chǎng)、密封膠接觸區(qū)域的接觸壓強(qiáng)分布規(guī)律隨緊固力變化情況，以及對(duì)電池性能和電化學(xué)性能的潛在影響。試驗(yàn)結(jié)果為燃料電池堆設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能提升提供關(guān)鍵依據(jù)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；接觸壓強(qiáng)分布；壓敏紙；緊固力；溫度

0 前言

在當(dāng)今全球能源格局深刻變革的背景下，尋求高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為科學(xué)界和工業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池憑借其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、啟動(dòng)迅速等顯著優(yōu)勢(shì)，在交通運(yùn)輸、分布式發(fā)電以及便攜式電源等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，被視作未來(lái)能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一［1］。

然而，質(zhì)子交換膜燃料電池要實(shí)現(xiàn)高性能和長(zhǎng)壽命運(yùn)行，面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，膜電極作為電池的關(guān)鍵部分，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)因化學(xué)腐蝕、機(jī)械應(yīng)力等因素致使性能逐漸衰退。其次，反應(yīng)分解水的熱管理是關(guān)鍵難題，在電池運(yùn)行時(shí)，水分的合理分布至關(guān)重要。水分過(guò)多會(huì)導(dǎo)致水淹現(xiàn)象，阻礙氣體擴(kuò)散，降低反應(yīng)氣體與催化劑的接觸效率；水分過(guò)少則會(huì)使質(zhì)子交換膜干燥，質(zhì)子傳導(dǎo)阻力增大，同樣會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響。此外，電池堆內(nèi)部的接觸壓強(qiáng)分布是影響燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。在燃料電池堆中，雙極板與膜電極之間的良好接觸對(duì)于確保有效的電接觸、質(zhì)子和氣體的均勻傳輸，以及熱量的合理管理必不可少［2-3］。合適的接觸壓強(qiáng)能夠降低接觸電阻，提高電流收集效率，促進(jìn)反應(yīng)物的均勻分布，減少局部極化現(xiàn)象，進(jìn)而顯著提升電池的性能和穩(wěn)定性。反之，若接觸壓強(qiáng)分布不均勻或不合理，可能導(dǎo)致電接觸不良、物質(zhì)傳輸受阻、局部過(guò)熱等問(wèn)題，加速電池組件的老化和損壞，降低電池的整體性能和壽命［3］。

盡管已有許多研究致力于燃料電池的性能優(yōu)化，但對(duì)于電池堆內(nèi)部接觸壓強(qiáng)分布的詳細(xì)研究仍相對(duì)有限。目前，關(guān)于接觸壓強(qiáng)對(duì)電池電化學(xué)性能的影響機(jī)制尚未完全明晰，不同的試驗(yàn)條件和電池結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致不同的接觸壓強(qiáng)分布特征和性能表現(xiàn)［4］。此外，溫度等運(yùn)行條件及密封膠等材料特性也可能與接觸壓強(qiáng)相互作用，進(jìn)一步影響電池的性能［5-6］。因此，深入研究質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的接觸壓強(qiáng)分布，揭示其與各種因素之間的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化電池設(shè)計(jì)、提高性能和可靠性具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文旨在通過(guò)精確測(cè)量和系統(tǒng)分析，分析質(zhì)子交換膜燃料電池單電池在不同緊固力條件下的接觸壓強(qiáng)分布規(guī)律，為深入理解電池性能的影響因素提供試驗(yàn)依據(jù)，從而為燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用只有1 節(jié)電池的單電池進(jìn)行試驗(yàn)，單電池石墨板和膜電極尺寸均為100 mm×400 mm。單電池采用螺桿緊固方式，螺桿數(shù)量為10，均勻分布于兩個(gè)長(zhǎng)邊方向。在探究緊固力對(duì)單電池內(nèi)部接觸壓強(qiáng)分布和輸出性能的影響之前，必須建立起緊固力的測(cè)量方法、現(xiàn)有大功率電堆集成力的標(biāo)定方法，以及螺桿緊固力與螺桿扭矩的換算關(guān)系。

1. 1 電堆螺桿緊固力標(biāo)定

試驗(yàn)開始前，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)同型號(hào)單電池成品串聯(lián)成長(zhǎng)堆電池的緊固力大小，以保證試驗(yàn)單電池的緊固力與長(zhǎng)堆電池的緊固力大小一致，進(jìn)而與本次試驗(yàn)緊固力對(duì)比，確保緊固力大小能夠滿足電堆產(chǎn)品的最佳需求。

具體步驟如下：

（1） 將電堆小心放置在壓力機(jī)工作臺(tái)上，并使用夾具將其牢牢固定，保證電堆在測(cè)量期間不會(huì)發(fā)生位移測(cè)量或晃動(dòng)的情況。

（2） 連接壓力機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后開啟壓力機(jī)電源，進(jìn)行設(shè)備自檢和預(yù)熱。

（3） 對(duì)壓力機(jī)操作界面執(zhí)行歸零設(shè)置，確保初始示數(shù)為零。

（4） 操作壓力機(jī)緩慢下降，直至壓力機(jī)顯示施加壓力大于零時(shí)，立刻停止，鎖死壓力機(jī)高度保持不變，記錄壓力f1。

（5） 松開單電池所有的螺桿，使螺桿不再受力，記錄壓力機(jī)示數(shù)f2。

（6） 根據(jù)試驗(yàn)得到單電池緊固力f（f=f2-f1），本次試驗(yàn)緊固力最終結(jié)果為2 100 N。

1. 2 緊固力-扭矩?fù)Q算關(guān)系

在試驗(yàn)過(guò)程中，采用扭矩扳手對(duì)各螺桿進(jìn)行緊固，所以無(wú)法直接給出單電池緊固力。因此，需要對(duì)緊固力-扭矩?fù)Q算系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以便在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)給單電池施加扭矩來(lái)得到施加在單電池上的緊固力。根據(jù)當(dāng)前的安裝情況，采用10根M6 螺栓固定，螺栓扭矩Mt為：

Mt=Kfd （1）

式中：K 為緊固力-扭矩?fù)Q算系數(shù)，一般取0.18～0.21；d 為螺栓公稱直徑。

通過(guò)與上述電堆螺桿緊固力標(biāo)定相似的方式進(jìn)行試驗(yàn)，具體步驟如下：

（1） 將電堆小心放置在壓力機(jī)工作臺(tái)上，并對(duì)壓力機(jī)操作界面進(jìn)行歸零設(shè)置，確保初始示數(shù)為零。

（2） 操作壓力機(jī)緩慢下降，直至壓力機(jī)顯示施加壓力大于零時(shí)立刻停止，鎖死壓力機(jī)高度保持不變。

（3） 松開單電池所有的螺桿，使螺桿不再受力，記錄壓力機(jī)示數(shù)f1。

（4） 擰緊單電池所有螺桿，使壓力機(jī)顯示施加壓力接近零時(shí)停止，記錄壓力機(jī)示數(shù)f2和扭矩Mt。

（5） 根據(jù)公式（1）計(jì)算得到緊固力-扭矩?fù)Q算系數(shù)為0.2。

1. 3 單電池流場(chǎng)壓強(qiáng)

根據(jù)當(dāng)前的安裝情況，采用10 根M6 螺栓固定，螺栓公稱直徑d 為6 mm，安裝扭矩在2.0～3.5 N·m，雙極板的尺寸為100 mm×400 mm，活化區(qū)域尺寸為84 mm×320 mm，密封膠接觸面積為2 560 mm2，流道區(qū)域的加工尺寸為320 mm×1 mm，共計(jì)42 條流道。接觸面積為流場(chǎng)雙極板脊背區(qū)域及密封膠區(qū)域。根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)估壓強(qiáng)，結(jié)果見表1。

1. 4 單電池緊固方式

使用螺栓夾具對(duì)單電池進(jìn)行緊固，采用預(yù)置式扭矩扳手，使用對(duì)角鎖緊的方法來(lái)保證組裝壓力的一致性和均勻性。夾具示意圖、鎖緊順序如圖1 所示，每個(gè)螺孔旋轉(zhuǎn)1/8 圈扳手即換至下一個(gè)螺孔，螺栓選用M6，數(shù)量為10，緊固夾具溫度為25 ℃，圖2 為試驗(yàn)單電池照片。

2 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)通過(guò)以下方式對(duì)緊固力相關(guān)影響進(jìn)行分析：

（1） 利用壓敏紙?jiān)囼?yàn)測(cè)量、分析螺桿式單電池內(nèi)雙極板與擴(kuò)散層之間的流場(chǎng)接觸區(qū)和密封膠接觸區(qū)壓強(qiáng)分布關(guān)系，以及其隨緊固力變化的趨勢(shì)。

（2） 通過(guò)分析單電池的輸出性能，分析輸出性能與接觸壓強(qiáng)分布的關(guān)系。

2. 1 壓強(qiáng)分布及可視化分析

本試驗(yàn)選用 Fujifilm 品牌LLW 型壓敏紙，F(xiàn)ujifilm 壓敏紙的型號(hào)與壓強(qiáng)范圍見表2。當(dāng)受壓時(shí)，微粒色球破裂并與顏色劑材料發(fā)生作用從而產(chǎn)生顏色，如圖3 所示。借助微粒分子控制技術(shù)，該壓敏紙可感應(yīng)不同大小的壓力值與分布情形。

鑒于試驗(yàn)加載壓力較小，在對(duì)壓強(qiáng)進(jìn)行預(yù)估后，確定選用該型號(hào)壓敏紙（壓強(qiáng)顯示范圍為0.5～2.5 MPa）。試驗(yàn)完成后，可依據(jù)壓感軟片的顏色特征初步判斷截面壓力大?。毫鞯啦糠殖拾咨?，脊背接觸面壓力呈紅色，當(dāng)接觸部分壓強(qiáng)低于0.5 MPa或接近 0.5 MPa 時(shí)顯示為白色。根據(jù)螺栓扭矩與緊固力計(jì)算公式，以及雙極板的尺寸、密封膠接觸面積等相關(guān)參數(shù)計(jì)算并預(yù)估壓強(qiáng)，最終確定選擇LLW 型壓敏紙，以確保試驗(yàn)測(cè)量的準(zhǔn)確性和有效性。

通過(guò)MATLAB 軟件編程方式能夠?qū)崿F(xiàn)顏色密度與壓強(qiáng)的轉(zhuǎn)換，并設(shè)計(jì)出壓強(qiáng)可視化平臺(tái)，進(jìn)而根據(jù)壓強(qiáng)可視化平臺(tái)得出流場(chǎng)接觸區(qū)和密封膠接觸區(qū)壓強(qiáng)分布值。

2. 2 單電池極化曲線試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用綠光G100 系列設(shè)備進(jìn)行單電池性能試驗(yàn)，測(cè)量并控制單電池運(yùn)行參數(shù)，待運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線測(cè)試，運(yùn)行條件見表3。

2. 3 單電池接觸壓強(qiáng)試驗(yàn)方法

選擇4 個(gè)封裝壓力，單根螺栓的扭矩在2.0～3.5 N·m。為避免過(guò)小的封裝載荷，導(dǎo)致壓力膜顯示出現(xiàn)較大誤差，選擇2.0 N·m、2.5 N·m、3.0 N·m、3.5 N·m 的扭矩，壓力膜放置位置為雙極板陰極側(cè)。設(shè)計(jì)不同裝配扭矩對(duì)電堆內(nèi)接觸壓強(qiáng)進(jìn)行分析，具體步驟為：

（1） 利用溫濕度計(jì)記錄室內(nèi)環(huán)境溫度為22 ℃，相對(duì)濕度為65%。

（2） 使用400 mm×100 mm 的壓感紙，將其放置于單電池中的膜電極與雙極板之間。

（3） 用螺桿將電堆定位，然后用扭矩扳手在每個(gè)螺桿上施加 2.0 N·m 的安裝扭矩，靜置 5 min，卸載，取出壓感紙。

（4） 取出上述電堆中壓感紙有紅色印記的測(cè)試紙，放入密封袋中避光保存，然后重復(fù)步驟（2）、步驟（3），扭矩扳手施加的安裝扭矩依次變?yōu)?2.5 N·m、3.0 N·m、3.5 N·m，分別測(cè)量不同扭矩下的壓力分布情況。

（5） 將受壓后的有紅色印記的壓感紙掃描成圖片格式，利用圖像處理軟件的圖片裁剪功能將壓感紙圖片處理成所需的圖片（如圖4～圖6 所示），以便后續(xù)進(jìn)行顏色密度與壓力的轉(zhuǎn)換，為準(zhǔn)確分析壓力分布數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

3 結(jié)果與討論

3. 1 流場(chǎng)接觸區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果

在室溫條件下，按照單電池緊固方式和試驗(yàn)方法進(jìn)行接觸壓強(qiáng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。由圖7可知：隨著螺栓安裝扭矩的提升，雙極板與膜電極接觸區(qū)域的壓強(qiáng)不斷提高；接觸區(qū)域存在明顯分界，膜電極外側(cè)區(qū)域接觸壓強(qiáng)顯著大于內(nèi)部流道接觸區(qū)域。由于螺栓安裝順序均勻且每次加載均勻，可推斷螺栓位置及加載順序?qū)佑|不均勻無(wú)較大影響。推測(cè)流場(chǎng)區(qū)域接觸不均勻的原因是端板容易變形，導(dǎo)致中心區(qū)域與邊緣位置受力差異較大。

利用軟件對(duì)完成測(cè)量的壓力膜進(jìn)行分析，得出顯色區(qū)域的最大壓強(qiáng)和平均壓強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。圖8 為不同扭矩下整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的壓強(qiáng)分布，其中白色區(qū)域接觸壓強(qiáng)小于0.5 MPa，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在流場(chǎng)外側(cè)邊框區(qū)域，范圍較小，對(duì)整體流場(chǎng)接觸壓強(qiáng)影響不大。隨著螺栓緊固力上升，單電池內(nèi)部雙極板與膜電極接觸壓強(qiáng)呈線性上升趨勢(shì)，但當(dāng)安裝扭矩從 2.5 N·m 上升到 3.0 N·m 時(shí)，變化幅度較大。結(jié)合密封膠區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這是由于緊固力主要加載在流場(chǎng)接觸區(qū)域，密封膠為超彈性模型導(dǎo)致此階段密封膠區(qū)域接觸壓強(qiáng)變化不大。

綜合以上，室溫（27 ℃）條件下單電池流場(chǎng)內(nèi)平均接觸壓強(qiáng)隨著單個(gè)螺栓緊固力的增加呈線性增長(zhǎng)方式，單電池流場(chǎng)內(nèi)平均接觸壓強(qiáng)隨著單個(gè)螺栓安裝扭矩增加而增加，試驗(yàn)曲線如圖9 所示。

3. 2 密封膠接觸區(qū)域試驗(yàn)結(jié)果

在室溫條件下，按照單電池緊固方式和試驗(yàn)方法進(jìn)行接觸壓強(qiáng)試驗(yàn)，壓敏紙顯色如圖10 所示。利用軟件進(jìn)行壓強(qiáng)分布分析，得出流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)平均壓強(qiáng)和最大壓強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。圖11 為不同扭矩下整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域壓強(qiáng)分布，圖12 為室溫下單電池密封圈內(nèi)平均接觸壓強(qiáng)隨著單個(gè)螺栓安裝扭矩變化曲線。從圖12 可以看出：隨著螺栓安裝扭矩提升，密封膠區(qū)域均處于大于0.5 MPa。密封膠的接觸壓強(qiáng)不隨安裝扭矩線性變化，先隨安裝扭矩增加而上升，在2.5 N·m 和3.0 N·m 時(shí)有所下降，但下降比例較小，主要因?yàn)槊芊饽z屬于超彈性模型，材料應(yīng)力應(yīng)變遵循特殊曲線，此非線性變化導(dǎo)致流場(chǎng)區(qū)域接觸壓強(qiáng)快速增長(zhǎng)。

3. 3 性能試驗(yàn)

單電池的輸出性能受流場(chǎng)區(qū)域接觸壓強(qiáng)影響較大，而受密封圈區(qū)域接觸壓強(qiáng)影響相對(duì)較小。隨著單個(gè)螺栓安裝扭矩增加，流場(chǎng)區(qū)域接觸壓強(qiáng)逐漸增大，分別對(duì)室溫環(huán)境下單個(gè)螺栓安裝扭矩為2.0～3.5 N·m 的單電池進(jìn)行輸出性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。由表6 可見：?jiǎn)蝹€(gè)螺栓安裝扭矩為3.5 N·m 的單電池輸出性能最佳，額定輸出電流為360 A 時(shí)，輸出電壓達(dá)到了0.661 V。這可能與隨著單個(gè)螺栓安裝扭矩的增加，單電池流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)平均接觸壓強(qiáng)增加有關(guān)，平均壓強(qiáng)增加能夠有效降低接觸電阻，提升電池內(nèi)部液態(tài)水排除能力，進(jìn)而使電化學(xué)性能得到有效提升。

4 結(jié)論

本文對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池接觸壓強(qiáng)分布進(jìn)行了深入的試驗(yàn)探究，主要得出以下結(jié)論：

（1） 通過(guò)精確的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量，明確了在不同緊固力和溫度條件下，電池堆內(nèi)部雙極板與膜電極之間接觸壓強(qiáng)的分布規(guī)律。在室溫環(huán)境下，隨著螺栓安裝扭矩（緊固力）的變化，流場(chǎng)接觸區(qū)域和密封膠接觸區(qū)域的壓強(qiáng)呈現(xiàn)出各自獨(dú)特的變化趨勢(shì)。流場(chǎng)接觸區(qū)域中，室溫時(shí)平均接觸壓強(qiáng)隨安裝扭矩增加線性增長(zhǎng)，但在特定扭矩區(qū)間變化幅度較大，且由于螺桿式受力結(jié)構(gòu)容易使端板變形，從而導(dǎo)致流場(chǎng)區(qū)域中心位置與邊緣位置受力差異較大，燃料電池電化學(xué)性能下降。

（2） 單電池的輸出性能與接觸壓強(qiáng)分布密切相關(guān)。流場(chǎng)區(qū)域接觸壓強(qiáng)對(duì)輸出性能影響較大，而密封圈區(qū)域接觸壓強(qiáng)影響相對(duì)較小。在室溫環(huán)境下，適當(dāng)增加螺栓緊固力可減小流場(chǎng)區(qū)域中心位置與邊緣位置受力差異，提升單電池輸出性能，當(dāng)單個(gè)螺栓安裝扭矩達(dá)到一定值時(shí)（如試驗(yàn)研究中的3.5 N·m），單電池在額定輸出電流下可獲得較優(yōu)的輸出電壓。

通過(guò)優(yōu)化端板結(jié)構(gòu)，如增加端板抗彎強(qiáng)度、增加端板厚度、提升流場(chǎng)區(qū)域受力平衡，優(yōu)化單電池結(jié)構(gòu)，提升單電池性能，是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

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