摘要：針對螺栓緊固式質子交換膜燃料電池單電池接觸壓強分布開展試驗研究。運用壓敏紙與配套讀數軟件，測量不同緊固力下雙極板和膜電極間的接觸壓強，分析其與緊固力的關系，揭示室溫下流場、密封膠接觸區(qū)域的接觸壓強分布規(guī)律隨緊固力變化情況，以及對電池性能和電化學性能的潛在影響。試驗結果為燃料電池堆設計優(yōu)化和性能提升提供關鍵依據。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；接觸壓強分布；壓敏紙；緊固力；溫度

0 前言

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

然而，質子交換膜燃料電池要實現(xiàn)高性能和長壽命運行，面臨諸多技術挑戰(zhàn)。首先，膜電極作為電池的關鍵部分，在長期運行過程中，可能會因化學腐蝕、機械應力等因素致使性能逐漸衰退。其次，反應分解水的熱管理是關鍵難題，在電池運行時，水分的合理分布至關重要。水分過多會導致水淹現(xiàn)象，阻礙氣體擴散，降低反應氣體與催化劑的接觸效率；水分過少則會使質子交換膜干燥，質子傳導阻力增大，同樣會對電池性能產生影響。此外，電池堆內部的接觸壓強分布是影響燃料電池穩(wěn)定運行的關鍵因素。在燃料電池堆中，雙極板與膜電極之間的良好接觸對于確保有效的電接觸、質子和氣體的均勻傳輸，以及熱量的合理管理必不可少［2-3］。合適的接觸壓強能夠降低接觸電阻，提高電流收集效率，促進反應物的均勻分布，減少局部極化現(xiàn)象，進而顯著提升電池的性能和穩(wěn)定性。反之，若接觸壓強分布不均勻或不合理，可能導致電接觸不良、物質傳輸受阻、局部過熱等問題，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，但對于電池堆內部接觸壓強分布的詳細研究仍相對有限。目前，關于接觸壓強對電池電化學性能的影響機制尚未完全明晰，不同的試驗條件和電池結構可能會導致不同的接觸壓強分布特征和性能表現(xiàn)［4］。此外，溫度等運行條件及密封膠等材料特性也可能與接觸壓強相互作用，進一步影響電池的性能［5-6］。因此，深入研究質子交換膜燃料電池單電池的接觸壓強分布，揭示其與各種因素之間的內在關系，對于優(yōu)化電池設計、提高性能和可靠性具有重要的科學意義和實際應用價值。

本文旨在通過精確測量和系統(tǒng)分析，分析質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分布規(guī)律，為深入理解電池性能的影響因素提供試驗依據，從而為燃料電池技術的進一步發(fā)展和應用提供參考。

1 試驗準備

試驗采用只有1 節(jié)電池的單電池進行試驗，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，螺桿數量為10，均勻分布于兩個長邊方向。在探究緊固力對單電池內部接觸壓強分布和輸出性能的影響之前，必須建立起緊固力的測量方法、現(xiàn)有大功率電堆集成力的標定方法，以及螺桿緊固力與螺桿扭矩的換算關系。

1. 1 電堆螺桿緊固力標定

試驗開始前，需要通過試驗來確認同型號單電池成品串聯(lián)成長堆電池的緊固力大小，以保證試驗單電池的緊固力與長堆電池的緊固力大小一致，進而與本次試驗緊固力對比，確保緊固力大小能夠滿足電堆產品的最佳需求。

具體步驟如下：

（1） 將電堆小心放置在壓力機工作臺上，并使用夾具將其牢牢固定，保證電堆在測量期間不會發(fā)生位移測量或晃動的情況。

（2） 連接壓力機的數據采集系統(tǒng)，然后開啟壓力機電源，進行設備自檢和預熱。

（3） 對壓力機操作界面執(zhí)行歸零設置，確保初始示數為零。

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

（5） 松開單電池所有的螺桿，使螺桿不再受力，記錄壓力機示數f2。

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

1. 2 緊固力-扭矩換算關系

在試驗過程中，采用扭矩扳手對各螺桿進行緊固，所以無法直接給出單電池緊固力。因此，需要對緊固力-扭矩換算系數進行測量，以便在后續(xù)試驗過程中通過給單電池施加扭矩來得到施加在單電池上的緊固力。根據當前的安裝情況，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-扭矩換算系數，一般取0.18～0.21；d 為螺栓公稱直徑。

通過與上述電堆螺桿緊固力標定相似的方式進行試驗，具體步驟如下：

（1） 將電堆小心放置在壓力機工作臺上，并對壓力機操作界面進行歸零設置，確保初始示數為零。

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

（3） 松開單電池所有的螺桿，使螺桿不再受力，記錄壓力機示數f1。

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

（5） 根據公式（1）計算得到緊固力-扭矩換算系數為0.2。

1. 3 單電池流場壓強

根據當前的安裝情況，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42 條流道。接觸面積為流場雙極板脊背區(qū)域及密封膠區(qū)域。根據計算結果預估壓強，結果見表1。

1. 4 單電池緊固方式

使用螺栓夾具對單電池進行緊固，采用預置式扭矩扳手，使用對角鎖緊的方法來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，每個螺孔旋轉1/8 圈扳手即換至下一個螺孔，螺栓選用M6，數量為10，緊固夾具溫度為25 ℃，圖2 為試驗單電池照片。

2 試驗原理及試驗方法

本試驗通過以下方式對緊固力相關影響進行分析：

（1） 利用壓敏紙試驗測量、分析螺桿式單電池內雙極板與擴散層之間的流場接觸區(qū)和密封膠接觸區(qū)壓強分布關系，以及其隨緊固力變化的趨勢。

（2） 通過分析單電池的輸出性能，分析輸出性能與接觸壓強分布的關系。

2. 1 壓強分布及可視化分析

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

鑒于試驗加載壓力較小，在對壓強進行預估后，確定選用該型號壓敏紙（壓強顯示范圍為0.5～2.5 MPa）。試驗完成后，可依據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贡辰佑|面壓力呈紅色，當接觸部分壓強低于0.5 MPa或接近 0.5 MPa 時顯示為白色。根據螺栓扭矩與緊固力計算公式，以及雙極板的尺寸、密封膠接觸面積等相關參數計算并預估壓強，最終確定選擇LLW 型壓敏紙，以確保試驗測量的準確性和有效性。

通過MATLAB 軟件編程方式能夠實現(xiàn)顏色密度與壓強的轉換，并設計出壓強可視化平臺，進而根據壓強可視化平臺得出流場接觸區(qū)和密封膠接觸區(qū)壓強分布值。

2. 2 單電池極化曲線試驗

本試驗使用綠光G100 系列設備進行單電池性能試驗，測量并控制單電池運行參數，待運行參數穩(wěn)定后進行極化曲線測試，運行條件見表3。

2. 3 單電池接觸壓強試驗方法

選擇4 個封裝壓力，單根螺栓的扭矩在2.0～3.5 N·m。為避免過小的封裝載荷，導致壓力膜顯示出現(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。設計不同裝配扭矩對電堆內接觸壓強進行分析，具體步驟為：

（1） 利用溫濕度計記錄室內環(huán)境溫度為22 ℃，相對濕度為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試紙，放入密封袋中避光保存，然后重復步驟（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)進行顏色密度與壓力的轉換，為準確分析壓力分布數據做好準備。

3 結果與討論

3. 1 流場接觸區(qū)域試驗結果

在室溫條件下，按照單電池緊固方式和試驗方法進行接觸壓強試驗，試驗結果如圖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)域的壓強不斷提高；接觸區(qū)域存在明顯分界，膜電極外側區(qū)域接觸壓強顯著大于內部流道接觸區(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對接觸不均勻無較大影響。推測流場區(qū)域接觸不均勻的原因是端板容易變形，導致中心區(qū)域與邊緣位置受力差異較大。

利用軟件對完成測量的壓力膜進行分析，得出顯色區(qū)域的最大壓強和平均壓強，試驗結果見表4。圖8 為不同扭矩下整個流場區(qū)域的壓強分布，其中白色區(qū)域接觸壓強小于0.5 MPa，最大壓強出現(xiàn)在流場外側邊框區(qū)域，范圍較小，對整體流場接觸壓強影響不大。隨著螺栓緊固力上升，單電池內部雙極板與膜電極接觸壓強呈線性上升趨勢，但當安裝扭矩從 2.5 N·m 上升到 3.0 N·m 時，變化幅度較大。結合密封膠區(qū)域的試驗結果來看，這是由于緊固力主要加載在流場接觸區(qū)域，密封膠為超彈性模型導致此階段密封膠區(qū)域接觸壓強變化不大。

綜合以上，室溫（27 ℃）條件下單電池流場內平均接觸壓強隨著單個螺栓緊固力的增加呈線性增長方式，單電池流場內平均接觸壓強隨著單個螺栓安裝扭矩增加而增加，試驗曲線如圖9 所示。

3. 2 密封膠接觸區(qū)域試驗結果

在室溫條件下，按照單電池緊固方式和試驗方法進行接觸壓強試驗，壓敏紙顯色如圖10 所示。利用軟件進行壓強分布分析，得出流場區(qū)域內平均壓強和最大壓強，試驗結果見表5。圖11 為不同扭矩下整個流場區(qū)域壓強分布，圖12 為室溫下單電池密封圈內平均接觸壓強隨著單個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 時有所下降，但下降比例較小，主要因為密封膠屬于超彈性模型，材料應力應變遵循特殊曲線，此非線性變化導致流場區(qū)域接觸壓強快速增長。

3. 3 性能試驗

單電池的輸出性能受流場區(qū)域接觸壓強影響較大，而受密封圈區(qū)域接觸壓強影響相對較小。隨著單個螺栓安裝扭矩增加，流場區(qū)域接觸壓強逐漸增大，分別對室溫環(huán)境下單個螺栓安裝扭矩為2.0～3.5 N·m 的單電池進行輸出性能試驗，試驗結果見表6。由表6 可見：單個螺栓安裝扭矩為3.5 N·m 的單電池輸出性能最佳，額定輸出電流為360 A 時，輸出電壓達到了0.661 V。這可能與隨著單個螺栓安裝扭矩的增加，單電池流場區(qū)域內平均接觸壓強增加有關，平均壓強增加能夠有效降低接觸電阻，提升電池內部液態(tài)水排除能力，進而使電化學性能得到有效提升。

4 結論

本文對質子交換膜燃料電池單電池接觸壓強分布進行了深入的試驗探究，主要得出以下結論：

（1） 通過精確的試驗設計與測量，明確了在不同緊固力和溫度條件下，電池堆內部雙極板與膜電極之間接觸壓強的分布規(guī)律。在室溫環(huán)境下，隨著螺栓安裝扭矩（緊固力）的變化，流場接觸區(qū)域和密封膠接觸區(qū)域的壓強呈現(xiàn)出各自獨特的變化趨勢。流場接觸區(qū)域中，室溫時平均接觸壓強隨安裝扭矩增加線性增長，但在特定扭矩區(qū)間變化幅度較大，且由于螺桿式受力結構容易使端板變形，從而導致流場區(qū)域中心位置與邊緣位置受力差異較大，燃料電池電化學性能下降。

（2） 單電池的輸出性能與接觸壓強分布密切相關。流場區(qū)域接觸壓強對輸出性能影響較大，而密封圈區(qū)域接觸壓強影響相對較小。在室溫環(huán)境下，適當增加螺栓緊固力可減小流場區(qū)域中心位置與邊緣位置受力差異，提升單電池輸出性能，當單個螺栓安裝扭矩達到一定值時（如試驗研究中的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。

通過優(yōu)化端板結構，如增加端板抗彎強度、增加端板厚度、提升流場區(qū)域受力平衡，優(yōu)化單電池結構，提升單電池性能，是未來研究的重點方向。

參考文獻

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