风冷燃料电池结构优化及装配压力设计_杨昆鹏.pdf

2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-29作者简介：杨昆鹏(1998)，男，湖北省人，硕士研究生，主要研究方向为燃料电池仿真分析。通信作者：宋少云风冷燃料电池结构优化及装配压力设计杨昆鹏，杨海沦，裴后昌，宋少云(武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048)摘要：风冷质子交换膜燃料电池简化了传统燃料电池的结构，极大地增强了其便携性而备受关注。风冷燃料电池的装配压力以及密封件的设计对于电池的性能具有重要影响。通过建立三维模型，运用有限元方法对风冷石墨流场板及密封件进行结构力学仿真分析。结果表明当直流道石墨流场板中密封圈的厚度为 0.50 mm，双极板长度为 225mm，装配压力为2.5 MPa时，风冷燃料电池双极板应力分布均匀性最好，电池性能最优。关键词：燃料电池；仿真分析；装配压力；密封圈；双极板中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0362-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.020Structural optimization and assembly pressure design of air-cooledfuel cellYANG Kunpeng,YANG Hailun,PEI Houchang,SONG Shaoyun(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan Hubei 430048,China)Abstract:Air-cooled proton exchange membrane fuel cells have attracted much attention for simplifying thestructure of conventional fuel cells and greatly enhancing their portability.The assembly pressure of air-cooledfuel cells and the design of seals have an important impact on the performance of the cell.A three-dimensionalmodel was established and a finite element method was applied to simulate the structural mechanics of the air-cooled graphite flow field plate and the seal.The results show that when the seal ring thickness is 0.50 mm,thelength of the bipolar plate is 225 mm and the assembly pressure is 2.5 MPa in the graphite flow field plate ofthe DC channel,the stress distribution uniformity of the bipolar plate of the air-cooled fuel cell is the best andthe battery performance is the best.Key words:fuel cell;simulation analysis;assembly pressure;seal ring;bipolar plate燃料电池具有较高的能量转换效率，同时电池的唯一产物是水，清洁环保，具有良好的可靠性和操作性。质子交换膜燃料电池堆由多个单电池堆叠而成，每个单电池又是由流场板、膜电极及密封件组成，各组件因外部施加装配压力而紧密组合在一起。装配压力和各组件的选择对燃料电池内部双极板与膜电极间的接触压力都会有一定的影响，这也将影响燃料电池的性能。目前已有较多对燃料电池内部的接触压力的研究，寻求最佳的装配方案。若装配压力过小，则电池稳定性较差，密封性无法得到保证；若装配压力过大，电池内部过大的接触应力会使得双极板和气体扩散层发生断裂与压溃，破坏燃料电池。刘永昌等1运用有限元方法研究了不同组装力下，质子交换膜燃料电池的接触压力及其分布情况。韩雪梅等2基于有限元软件ABAQUS开发了质子交换膜(PEM)燃料电池预紧力-温度顺序耦合程序。熊月娇3研究了电池的装配压力对质子交换膜燃料电池内部接触压力均匀性的影响。Alizadeh等4利用有限元方法研究电极表面的接触压力分布，并通过压力敏感实验进行验证。Chi-Hui Chien等5利用ANSYS Workbench分析了GDL的压缩比与螺栓预紧力之间的关系。上述文献主要探究了燃料电池装配力对燃料电池性能的影响，但有关风冷石墨流场板燃料电池装配接触压力及其分布的研究报道较少。本文以风冷燃料电池为研究对象，建立了仿真模型与数学模型，运用有限元分析法对影响电池性能的装配压力、密封圈厚度、双极板尺寸进行了研究。1 燃料电池建模1.1 仿真几何模型1.1.1 几何尺寸及材料参数本文研究的双极板流道类型是平行流道，阴阳两极的流道呈非对称布置。双极板两面流道尺寸不同：在阴极流道一侧，流道深度为 0.6 mm，宽度为 1.0 mm；在阳极流道一侧，流道深度为 1.5 mm，宽度为 3 mm。密封槽道深度为 0.4 mm。下文将分析在不同密封圈厚度下装配压力对燃料电池双极板的接触应力、位移分布的影响，得出最优密封圈厚度，再根据最优密封圈厚度对双极板结构进行优化设计，以求双极板内部应力较小且分布均匀。仿真分析中设置不同的密封圈厚度，分别为0.45、0.50和0.55 mm。当前所使用的双极板大小尺寸为 250 mm1073622023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计mm，本文对双极板尺寸进行重新设计，长度设计为225 mm107 mm、200 mm107 mm、175 mm107 mm。针对上述四种不同大小的双极板再次进行装配力有限元分析，依据分析结果判断双极板长度对于燃料电池内部接触应力的影响，进而选择合适的双极板尺寸。电池其余各组件的相关尺寸及材料的属性如表1所示。表 1 电池各组件相关尺寸及材料属性 组件 长/mm 宽/mm 厚/mm 材料 弹性模量/MPa 泊松比 密度/(kgm3)端板 270 117 18.00 铝合金 69 000.0 0.330 2 800 双极板 250 107 4.00 石墨 13 000.0 0.210 2 160 气体扩散层 198 95 0.27 TGP-H-060 碳纸 6.3 0.090 440 质子交换膜 198 95 0.06 Nafion212 18.5 0.330 1 980 密封垫圈 硅橡胶 5 500.0 0.497 1 700 1.1.2 网格划分及边界条件本文需要对在不同装配力下双极板应力及尺寸变化情况进行研究分析，因此，双极板和气体扩散层需要增加网格划分数量，提升计算精度，其余组件则可以减少网格数量。除此之外，所有网格应尽可能规则，以提高其求解精度。单电池模型各部件的网格划分均以六面体网格为主，整体网格数量为 255 950，其中双极板网格数量为 56 063，大小密封圈网格数量分别为 193和67。图 1和图 2分别为双极板与密封圈网格划分图。各组件之间的装配主要是接触装配关系，端板与双极板、双极板与气体扩散层、气体扩散层与质子交换膜之间均设置为无摩擦约束。该燃料电池堆装配过程一般先是使用定位杆将燃料电池各组件堆叠在一起，然后使用压力装置将各组件压至紧密，同时使用螺栓-螺母固定燃料电池堆。为了简化计算，本文在对燃料电池双极板进行力学分析时直接在单电池端板的上表面施加载荷，载荷大小分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 MPa。1.2 数学模型气体扩散层主要是用来传输阴极的氧气和阳极的氢气，使其进入催化层进行电化学反应，因此燃料电池气体扩散层的物化特性对燃料电池的性能有着重要的影响。本文根据装配压力对气体扩散层的位移影响进行分析，依据相关经验公式，可以得到不同装配压力下气体扩散层的各项传输参数，分析装配压力对气体扩散层孔隙率、渗透率、电导率以及接触电阻传输参数的影响。气体扩散层是一层较薄的碳纸，装配压力增大会引起气体扩散层的厚度变化，使得气体的传输受到阻碍，进而影响电池的整体性能。该风冷燃料电池气体扩散层的初始厚度为0.27 mm。运用有限元方法模拟计算不同装配力下的气体扩散层厚度。在质子交换膜燃料电池的碳板上施加一定的压力会使燃料电池的气体扩散层形状发生变化，同时，气体扩散层多孔介质的物理性质和化学性质也会有一定程度的变化，如多孔介质的孔隙率、渗透率、电导率以及接触电阻的数值也会变化，本文初始孔隙率为0.27，孔隙率计算公式如式(1)：=1-(1-0)0y(1)式中：为燃料电池气体扩散层形状变化后的孔隙率；0为燃料电池气体扩散层的初始孔隙率；0为燃料电池气体扩散层的初始厚度，mm；y为燃料电池气体扩散层被压缩形状发生变化后的厚度，mm。渗透率体现的是气体扩散层渗透性的大小，Tomadakis和Robertson6提出了计算绝对渗透率的公式：K0=(-0.037)2.661d2f8(ln)20.975(1.661 -0.000 37)2(2)式中：为气体扩散层的孔隙率；df为燃料电池气体扩散层碳纤维直径，数值参考东丽碳纸约为 9.75 m。质子交换膜燃料电池气体扩散层的电导率是关于孔隙率的函数，经过大量的数据模型分析研究，相关学者总结出了关于电导率的计算公式7：eff=0(1-)1.5(3)式中：0为气体扩散层的原始电导率，为 300 S/m；为孔隙率。上文已经计算出了不同装配压力下气体扩散层厚度变化引起的孔隙率变化，因此可根据电导率经验式(3)计算得到装配压力变化下的气体扩散层电导率。质子交换膜燃料电池的电阻由电池各个组件界面之间的接触电阻形成，一定的装配压力会使界面之间的接触电阻发生变化，经过大量的数据模型研究分析，Zhou等8总结出了关于接触电阻的计算公式：Rc=2.216 3+3.530 6pc(4)passembly Aassembly=pc Ac(5)式中：Rc为界面之间电阻，mcm2；pc为组件之间的接触压力；passembly为施加压力；Aassembly为受力面积；Ac为双极板与气体扩散层的接触面积。2 仿真结果与分析2.1 密封圈对电池结构稳定性影响图 3为不同密封圈厚度下，双极板与气体扩散层平均接触压力在不同装配压力条件下的变化趋势。图4为不同密封图1双极板网格划分图2密封圈网格划分3632023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计圈厚度下双极板位移随装配压力变化图。由图3、4可知双极板和气体扩散层的接触应力随着密封圈厚度和装配压力的增加而逐渐变大，双极板的位移变化也随之增大。在实际装配中，当密封圈厚度为 0.45 mm 时密封圈不能保证燃料电池拥有良好的密封性；密封圈厚度为0.50 mm时，燃料电池内部各组件接触良好，不会出现泄气漏气现象；密封圈厚度为0.55 mm 时，燃料电池密封性能良好，但在相同装配压力下，双极板的接触应力明显高于其他两种密封圈，这会对燃料电池的机械结构造成影响，使得双极板出现较大形变甚至破坏的情况。因此使用0.50 mm厚度的密封圈能够在保证燃料电池密封性能的前提下有效降低装配压力对燃料电池内部组件的影响。对结果进行原因分析可知，若燃料电池内部的接触应力过小，则整个电堆机械稳定性较差，并且电堆会出现密封性能差，反应气体泄露的现象，这将会影响燃料电池运行和运输的安全性；若燃料电池内部的接触应力过大，虽然电堆机械稳定性可靠且不会泄露反应气体，但是燃料电池内部过大的接触应力会使得双极板和气体扩散层断裂、压溃，破坏燃料电池。2.2 双极板对电池结构稳定性影响图 5 是 250、225、200 和 175 mm 不同长度双极板在装配压力变化下燃料电池内部的接触应力图。图6是各装配压力下不同长度双极板的内部接触应力图。由图 5 和图 6可知，当装配压力在 0.51.5 MPa 变化时，随着双极板长度越来越大，燃料电池内部平均接触应力呈现先增大后降低的趋势。在双极板长度为 200 mm 时，双极板的平均接触应力取得极大值；当装配压力在1.53 MPa变化时，随着双极板尺寸的增大，燃料电池内部平均接触应力呈现波动状态，但是在长度为225和250 mm的双极板间，燃料电池内部平均接触应力变化幅度较大，在 175、200和 225 mm三种长度双极板中，无论装配压力怎么变化，225 mm长度的双极板平均接触应力均为三者之中最小。考虑到双极板内部接触应力过大会影响到双极板的机械性能和气体扩散层的变形，而接触应力过小又会使得电堆稳定性差，并且燃料电池没有良好的密封性能。故结合四种不同长度的双极板装配压力分析，尺寸为 225mm107 mm的双极板最适合。2.3 装配压力对气体扩散层传输参数的影响根据相关经验公式，得到不同装配压力下气体扩散层的各项传输参数，分析装配压力对气体扩散层孔隙率、渗透率、电导率以及接触电阻传输参数的影响结果如表2。图3不同密封圈厚度下双极板接触应力变化图图4不同密封圈厚度下双极板位移变化图图5接触应力随装配压力变化图图6接触应力随双极板长度变化图 表 2 不同装配压力下扩散层各项参数值 不同装配压力/MPa 参数 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 气体扩散层位移变化/mm 0.001 558 0.003 116 0.004 674 0.006 232 0.007 790 0.009 348 气体扩散层厚度/mm 0.268 442 0.266 884 0.265 326 0.263 768 0.262 211 0.260 652 孔隙率 0.265 8 0.261 5 0.257 1 0.252 8 0.248 3 0.243 8 渗透率 K0/mm2 0.194 5 0.183 9 0.175 4 0.169 5 0.165 2 0.163 7 电导率 eff/(Sm1)188.745 189.534 191.079 192.784 195.013 197.269 接触电阻 RC/(mcm2)5.645 3.922 3.417 3.088 2.848 2.753 图7为扩散层厚度和孔隙率随装配压力变化图。由图7可知，随着燃料电池的装配压力不断增大，气体扩散层被压缩，气体扩散层的厚度逐渐减小，气体扩散层的孔隙率也随之逐渐减小。图8是气体扩散层渗透率随装配压力变化的关系图。由图 8可知随着装配压力的增大，气体扩散层的渗透率随之减小，并且在装配压力较小时，渗透率变化的速度较3642023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计大，当装配压力超过 1.5 MPa 后，渗透率减小的速度开始减小，渗透率变化趋于平缓。图9是不同装配压力下气体扩散层电导率的变化图。由于装配压力增大，气体扩散层的孔隙率逐渐减小，因此其电导率会随之增大，即该风冷燃料电池整体传输电荷的能力变强。图10是气体扩散层接触电阻随装配压力的变化关系图。当装配压力较小时，接触电阻较大，随着装配压力的增大，接触电阻不断减小。当装配压力超过 2 MPa时，接触电阻减小的速度趋于平缓，这是因为双极板与气体扩散层随着装配压力不断增大，接触面积也在增大，当接触面积接近最大时，装配压力再增大对气体扩散层接触电阻也将没有明显影响。3 结论采用三维有限元方法对风冷燃料电池进行了分析，优化设计了电池密封圈厚度和双极板尺寸，并探究了装配压力对于气体扩散层传输参数的影响，结果表明：(1)当密封圈的厚度为 0.50 mm，双极板长度为 225 mm，装配压力为2.5 MPa时，双极板应力分布均匀性最好，能有效避免电池装配过程中双极板上出现应力集中，是风冷燃料电池研究的最佳选择。(2)装配压力增大会减小气体扩散层的孔隙率、渗透率，增大气体扩散层的电导率；而接触电阻会随压力增大而增大，但在装配压力增加至23 MPa时，对接触电阻影响变化不明显，说明增大装配压力无法持续降低气体扩散层的接触电阻，进而对燃料电池的性能无改善效果。参考文献：1刘永昌，胡学家，谈金祝，等.PEM燃料电池组装接触压力的有限元分析J.电源技术，2014，38(10)：1818-1820.2韩雪梅，谈金祝，刘永昌，等.PEM燃料电池接触压力和电化学性能的研究J.太阳能学报，2016，37(11)：2978-2982.3熊月娇.燃料电池端板结构及封装载荷优化设计D.大连：大连理工大学，2019.4ALIZADEH E,BARZEGARI M M,MOMENIFAR M,et al.Investigation of contact pressure distribution over the active areaof PEM fuel cell stackJ.International Journal of HydrogenEnergy,2016,41(4):3062-3071.5CHIEN C H,HU Y L,SU T H,et al.Effects of bolt pre-loadingvariations on 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