质子交换膜燃料电池气体扩散层力学特性及老化机理研究

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a promising new clean energy. However, immature durability is the main barrier to its globe commercialization. Failure modes of PEMFC mainly occur in the membrane electrode assembly (MEA), which includes mechanical cracks, chemical and thermal degradation, and all these failures are related to the strain-stress status of the layers in the MEA. Gas diffusion layer (GDL), as the most rigid layer in the MAE, its mechanical properties are always neglected or over simplified in durability studies. Actually, more and more evidence shows that the mechanical responds of GDL is much more complicated and it has very high influence on the strain-stress status of other layers. Thus, a further study of GDL’s mechanical behavior is necessary in durability research of PEMFC. This proposal will take carbon papers, the most widely used GDL material, as the research object. And the constitutive function and the value of material properties of certain types of carbon papers will be constructed and obtained through experimental and numerical investigations. Finally, a numerical model will be built with following information: nonlinear responds in compression deformation, the irreversible strain under cyclic load, material properties of orthotropic carbon paper, the dependence on temperature/humidity conditions, the effect of hydrophobic coating and micro-porous layer, and numerical expressions of cyclic degradation of the parameters mentioned above. The output can be the basis data for the durability research of PEMFC. Furthermore, the achievements can also be applied to other carbon fiber reinforced material related fields, such as aerospace engineering, wind driven generator design, auto-body light weighting and so on.

质子交换膜燃料电池是最有发展前景的新能源之一。但是过短的使用寿命是阻碍其全球商品化的主要原因。此类燃料电池的失效主要集中在膜电极结构中，主要包括机械性破损、化学退化、热降解等，都与膜电极材料的应力应变状态有关。气体扩散层作为膜电极结构中刚性最强的一层，其力学特性容易被忽略，但研究表明，气体扩散层的力学属性复杂而且会影响其他层的应力应变分布。本项目拟采用实验测量与数学模型相结合的方式，对气体扩散层中广泛采用的碳纤维材料进行本构方程及材料属性的确定，并建立其数学模型。此模型将对以下内容进行量化定义：压缩变形中的非线性响应以及循环载荷下的不可逆形变、正交各向异性材料属性参数及其温湿环境的依赖、斥水材质及微孔层的影响，以及以上各部分参数循环老化的数学表达。研究成果可以为燃料电池耐久性分析提供研究依据，也可以应用到碳纤维复合材料的相关研究中，如航空航天、风力发电、车身材料等方面。

本课题采用实验测量与数学模拟相结合的方式，从介观结构入手对质子交换膜燃料电池膜电极组件中气体扩散层的非线性力学响应与老化关系进行测量分析，并建立相对完善的宏观部件模型。该模型的难点在于描述了气体扩散层的在压缩工况下的非线性本构方程，且本构方程中的各项参数都是具有描述微观结构物理意义的。.本模型涉及的研究内容如下：.（1）材料属性模型建立.对于气体扩散层中碳纤维结构的各向异性材料属性进行分别研究，非线性模型将以现有的压缩模型（Y. Meyer模型）为基础，修正过度简化的假设，建立了通过简单微观几何参数和宏观材料参数表达的应力应变关系。.（2）斥水层及微孔层的力学特征和老化机理.斥水层的高分子材料与微孔层中粘合剂都是对温度和湿度相对敏感的材质，其老化机理也会与碳纤维层有所不同。因此，本课题对这两部分的力学特性以及老化机理进行了单独讨论，并对（1）中得到的材料属性模型进行补充。.（3）温湿环境的依赖.斥水层及微孔层的力学特性都对温湿度敏感，因此会影响气体扩散层的整体力学特性。本课题对气体扩散层力学属性对温湿环境的影响也进行了研究和讨论。.（4）循环载荷下的疲劳性研究.本课题还对气体扩散层所用的碳纤维材料在循环载荷下的疲劳性进行了研究，得到了材料的宏观老化特性，并且得到了材料模型中表达微观结构物理意义的参数与老化时间之间的量化关系。.本模型不仅可以用于燃料电池的封装、耐久等仿真进行服务，同时由于其采用的是可描述微观结构的参数，更可以通过简单的力学测试来推测气体扩散层微观结构的变化，进而可辅助化学退化、热降解等研究，是对燃料电池寿命预测和改良的重要数据支持。同时，该模型也可应用到碳纤维复合材料的相关研究中，例如航天器或车辆轻量化、风力发电扇叶的性能优化、锂离子电池电极涂层力学描述等，是服务于环境友好的新能源以及节能减排的基础研究。