CTM蓄电池质子交换膜燃料电池双极板脊宽设计对电池性能的影响

ctm蓄电池质子交换膜燃料电池双极板脊宽设计对电池性能的影响

中国又是一个富煤少油少气的国家，面对的动力局势非常严峻。自上世纪70年代以来现已爆发了3次石油危机，最近的一次石油危机是1990年海湾战争的时候，距今现已30年，这30年的时刻含糊了许多人对动力危机的形象。但俄乌战争和巴以冲突再一次将动力危机推到了风口浪尖，第四次动力危机似乎正悄然发生。有鉴于此，我们开始寻找新的绿色动力以减轻对传统化石动力的依赖。当时技能比较老练的绿色动力有风能、潮汐能、地热能、太阳能、核能等。新动力的开展是丰富多样的，但仍存在动力体系总体功率偏低的状况。因而亟需一种介质来存储这些被浪费的动力，氢能就成为了未来动力革命的突破口之一。在氢能的运用中，燃料电池是其间一个重要方向，这是一种将燃料的化学能直接转换为电能的设备，具有很高的发电功率。同时由于没有燃烧过程，当运用氢气为燃料时，排放物质仅为水，完全绿色无污染。在“双碳”布景下，我国已将燃料电池技能列入十四五动力领域科技创新规划中，大力推动燃料电池开展。

在燃料电池的双极板设计过程中，脊宽的设计尤为重要，是决定燃料电池传质和触摸电阻的关键因素。适宜的脊宽设计能够有效进步燃料电池的功能和寿命。本文将研讨脊宽对电流途径、气体传质和电池功能的影响。

2.模型

由于燃料电池的结构具有重复对称性，本研讨将模型简化为一个单电池模块以缩短核算时刻。本模型中脊宽加槽宽恒等于2mm，所研讨的脊宽分别为0.6mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm。本文根据comsol软件中的“高温质子交换膜燃料电池的质量传递”模块进行仿真核算，其结构示意图和模型的核算域如图1所示。

图1 质子交换膜结构示意图和模型核算域与详细尺度

3. 结果与讨论

3.1脊宽对电流途径的影响

从图2能够看到，跟着双极板脊宽宽度的添加，电流途径也随之变短，这有助于减小电池的欧姆损失，然后进步电池功能。另外，添加脊宽相当于添加了双极板与膜电极之间的触摸面积，这有利于减小双极板与膜电极的触摸电阻，然后进步电池功能。因而，从电流的角度来看，添加脊宽有利于电池功能的发挥。

（a）                            （b）

图2 （a）脊宽0.8mm （b）脊宽1.2mm 在0.7V时的电流途径

3.2 脊宽对阳极氧气传质的影响

从许多学者现有的研讨中能够知道，氧气的摩尔分数远大与氢气，这也使得氧气在电极中的扩散要比氢气困难的多。图3展示了两种不同的脊宽在0.7V时阴极氧气浓度的散布。无独有偶的能够发现，不管脊宽多少，脊下的氧气浓度要远低于流道下方的氧气浓度，所以脊在必定程度上限制了氧气在电极中的传质。对比图3（a）和（b）能够发现，随之脊宽的添加，，阴极催化层的氧气浓度从均匀0.181降至0.172，下降了4.97%，其间阴极脊下的氧气浓度下降更为明显。

图4对比了不同脊宽在不同电压下对的影响，能够看见阴极催化层的均匀氧分压跟着电压的下降而下降，电压越低电池功率越高，而电池在高功率的运行条件下对氧分压有着更高的需求。所以需要进步氧分压来满意电池内部的反应需求，调查图4还能够发现氧分压跟着脊宽的减小而添加，因而减小脊宽有利于氧气传质，添加阴极催化层的氧分压，然后进步电池功能。

（a）                             （b）

图3 （a）脊宽0.8mm（b）脊宽1.2mm 在0.7V时阴极氧气浓度的散布

图4 脊宽在不同电压下对阴极催化层均匀氧分压的影响

3.3 脊宽对电池功能的影响

经过以上研讨能够发现，添加脊宽能够缩短电流途径，下降欧姆损失，但另一方面，同时也不利于氧气传质，下降阴极氧分压。因而在额定工作电压0.7V下，必定存在一个脊宽的最佳值，使得电池的输出电流密度达到最高。调查图5能够发现，0.7V的工作电压下，电池功能在脊宽为1.2mm时最高，输出电流密度为2046A/m2。与脊宽为0.8mm的1987A/m2比较，进步了2.97%。