湿度循环下PEMFC催化层裂纹生成与扩展规律研究

质子交换膜燃料电池具有效率高、能量密度高、启动速度快和零污染物排放等优点,是有前途的道路车辆动力源.成本和寿命是制约燃料电池技术大规模商业化应用的重要影响因素.车辆在频繁启停和燃料电池动态工况中的湿度变化会引起催化层和质子交换膜因湿胀而造成的机械破坏,会显著降低该燃料电池的寿命.通过ANSYS Workbench软件Static Structure模块、CZM模型和PEIRCE模型对质子交换膜燃料电池催化层微观结构进行了仿真模拟,研究了动态工况中不同相对湿度变化幅度(60％,50％,40％和30％)对催化层裂纹生成与扩展的影响.结果表明:相对湿度变化幅度越大,燃料电池催化层中离聚物与Pt/C接触面之间裂纹生成的时间越早,在相对湿度变化幅度分别为60％,50％和40％时的裂纹产生初始时间分别为348,380,789 s,在相对湿度变化幅度为30％时,离聚物与Pt/C接触面之间则不会产生裂纹;裂纹的扩展程度随相对湿度幅度的增加而变得更加严重;大幅度长时间的湿度循环还会导致聚合物内部塑性应变累积至强度极限,从而造成离聚物的机械破坏.