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船电故杯综述
ol36No.42016.4
质子交换膜燃料电池接触电阻研究进展
明,叶东浩,夏丰杰
(武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064)
摘要:质子交换膜燃料电池( PHMFC)接触电阻问题是制约其商业化发展的一个重要因素。影响接触电
阻的因素可归纳为电池材料、组装参数、工作参数和其他因素。本文主要介绍」 PEMIFC的接触电阻及其影
响因素,并综述了降低接触电阻的方法。
关键词:质子交换膜燃料电池接触电阻欧姆极化双极板
中图分类号:TM911
文献标识码:A
文章编号:1003-4862(2016)04-0042-06
Review on Contact Resistance for Proton Exchange Membrane Fuel Cell
lan Ming, re
Donghao, Xia Pengji
(Wuhan Institute of Marine I leclric Propulsion, Wuhan 430064, China
Abstract: The contact resistance of proton exchange membrame fie1 cell(PM1 O)is a key issie which
restricts commercia/ development of PEMFC. The contact resistance is influenced by materials, assembly
status, workingstatus and so on. In this paper the contact resistance and its influential factor are introduced,
and the way how to reduce the contact resistance is overviewed
Keywords: proton exchange membrane /uel cell; contact resistance, ohmic polarization; bipolar plate(B7)
义极板( Bipolar Plate,BP,用石墨或改性金属板
质子交换膜燃料电池( Proton Exchange制作,并带有导气通道)、金属集流板和端板,其
Membrane Fuel Cell, PEMFC)其有高能量转化效中膜电极又包括扩散层( Gas Diffusion Layer
率、零污染排放和高比功率的特点:与其它类型GDL)、催化层( Catalyst Layer,CL)和质子交换
燃料电池相比, PEMFC还具有快速启动、尤腐蚀膜( Proton Exchange Membrane,PEM)。
性等特点。 PEMFC还可以在任何方位、任何角度
图1是燃料电池极化出线示意图,为了提高
运行。这些优点使 PEMFC广泛成用在使携式设
燃料电池的实际输出电压,应尽可能减少它的内
备、公共汽午和热电联供系统。日前, PEMFC阻,降低欧姆极化。根据典型单体 PEMFC的结
的商业化受国内外汽车、能源等行业的关注和构分析, PEMFC内阻包括了电池内各种材料和组
参与,但仍存在如成本、寿命等间题需要解决。
件的木体电阻,如双极板(RB)、扩散层(Rcpr
此外电池接触电阳过大也是制约 PEMFC商业.化
催化层(Rc1)和质子交换膜(RpHM),也包括电
的重要原因之一。本文从接触电阻对 PEMFC性
池内不同层间的界面接触电阻,如双极板/气体扩
能的影响、影响接触电阻的因素以及降低电池接散层(Rpel)、气体扩散层/催化层( R(ipl- C)、
触电阻策略进行概述
催化层/膜的接触电阻(Rcx):
R=pp+RBP- GDI+RGDL+RGDI-CL
PEMFC接触电阻
+RCL+RCL_P:M+RPHM
PEMFC的主要纠成部件包括膜电极2 PEMFC接触电阻的影响因素
( Membrane Electrode Assembly.MEA)、密封圈
两表面接触时除去接触体体电阻之外的附加
收稿日期:2015-11-27
电阻被称为界面接触电阻。表面粗糙度引起的打
作者简介:詹明(1990-),男,助理工程师。研究方向:散电阻和表面氧化膜、导电性差薄膜产生的表面
燃料电池。
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膜电阻构成界面接触电阻的主要部分。 PEMFC周减少,在5MPa以后,所有板与石墨板间的
接触电阻的影响因素很多,如接触界面的几何结接触电阻随着压力的增大而变化不大。镀银、镀
构和界面间的外加ポ力。下面笔者将从国内外关锡、镀铅的不锈钊板与柔性石瞾板间的接触电刚L
于 PEMFC接触电阻的影响因素研究进行总结
就相差不大了。实验结果表明,不锈钢表面处理
后的本体电阻变化不大,而接触电阻变化较大。
甲论电动脅
从实验结某米看,电镀银的接触电阻最小,而不
锈钢的接触电阻最大。在8MPa的压力作用下,
接触电阻由小到大的顺序依次为电镀银<溅射银
<化学悽锡化极
L. Wanga等人?在模拟质子交换膜燃料电池
化区域
化区.
电化学性能环境下研究了TiIN、CrN、TAIN涂料
及SS316L和SS316L基板的接触电阻。在电位极
也
化腐蚀试验的基础上,H2和O2气体环境下的耐
图1燃料电池柲化曲线示意图
腐蚀性能排名分別是TN>CrN>SS316L> TIAN
2.1双极板接触界面
和SS316L>CrN>TiN> TIAN。数据品示接触电阻
双籹板与扩散层的接触电阻 R.在质子的顺序是 TIAN交换膜燃料电池欧姆极化中有着非常重要的影
Shiro Tanaka等人?建立了一个机械-电子-电
响,占电池总内阻的55%左右2。双极板材料表化学的数学模型,研究了传统燃料电池和
面状况是影响燃料电池接触电阻的主要因素之GDL-less燃料电池降低的电导率和接触电阻,结
,成为了众多学者讨论的热点。
果表明MPLS的硬度和导电率足GDL-lcss燃料
衣宝廉等人?认为:对于金属双极板,常用电池接触电阻关键因素
的金属材料如特种钢、金属铝、钛等的稳定性无2.2电池组装应力
法满足要求,阳籹侧公产生腐蚀,产物污染电催
燃料电池的组裝应力是电池接触电阻产生的
化剂,导致电池内阻增大、性能下降,因此若采先导因素,成为了众多学者积极研究的方向之一
用金属作双柲板,必须对其表面进行改性处理, MISHRA等人?基于分形粗糙面模型,建立了双
常规的方法是镀金、镀银,但这会导致成本大幅极板与气体扩散层间的接触电阻分别与压力、材
度增加。采用镁、铝等密度小的金属作为义极板料属性和表面儿何之间的函数关系,可以预测气
材料,可提高电池的质量比功率,同时为防止腐体扩散层与双极板之间的接触电阻。
蚀,可在加工乂籹板流场后镀镍、镀金,这样做
ai Xinmin等人P建立机电有限元分析模型
还可减小接触电阻,有利于减小欧姆极化。
( a mechanical- electrical FEM model)l,米预测
Wang等人研究了双极板的不锈钢材料和BPP