基于ANSYS的PEM單電池組裝應(yīng)力分析

項(xiàng)忠曉，泮國(guó)榮，徐國(guó)峰，趙 依，胡桂林，李國(guó)能

（浙江科技學(xué)院 輕工學(xué)院，杭州310023）

由于傳統(tǒng)能源的不斷緊缺及傳統(tǒng)能源使用造成的污染不斷加劇，新能源的開發(fā)逐漸受到各界關(guān)注。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種新型能源，具有零污染、零排放、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、高效且無需充電及啟動(dòng)快速等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上最成熟的一種將氫氣和氧氣結(jié)合產(chǎn)生純凈水并釋放電能的裝置［1－3］。

現(xiàn)階段，燃料電池的裝配主要依靠經(jīng)驗(yàn)和手工裝配，這種裝備工藝效率差、精度低且手工操作失誤多，從而大大增加了PEMFC的制造成本［4］。在電池的裝配過程中，裝配壓力過大過小均會(huì)對(duì)電池性能造成影響，甚至損壞電池。若裝配壓力過大，會(huì)造成膜電極（membrane electrode assembly，MEA）過度壓縮變形，影響氣體傳輸并可能損壞MEA，且流道由碳板壓制而成，其壓力過大會(huì)損壞碳板；若裝配壓力過小，則可能造成密封性不佳，造成氫氣等危險(xiǎn)氣體泄漏，且加大電池組件間的接觸電阻。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)燃料電池的裝配過程進(jìn)行模擬的研究還很少。Yim等［5］研究了燃料電池在不同裝配壓力下對(duì)電池性能的影響。Lin等［6－7］在對(duì)燃料電池進(jìn)行有限元分析時(shí)，根據(jù)模型的對(duì)稱性，取模型的1/8，通過設(shè)置對(duì)稱邊界條件，研究了電池的組裝，大大提高了運(yùn)算效率。本研究擬對(duì)PEMFC裝配過程進(jìn)行建模和分析，得出燃料電池的最佳裝配力裝備工藝，以提高效率、降低成本。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池的裝配示意圖Fig.1 Assembly diagram of PEMFC

1 有限元建模

1.1 建 模

ANSYS Workbench是一個(gè)集有限元建模、有限元前后處理、有限元分析于一體，并能與多種工程分析軟件連接的優(yōu)秀的協(xié)同仿真平臺(tái)［8－9］。本研究應(yīng)用 ANSYS Workbench來對(duì)燃料電池的裝配進(jìn)行建模、有限元分析。

本研究中的PEM燃料電池由1片MEA、2片流道板、2條密封圈、2片端板及4套螺帽螺桿構(gòu)成，其裝配示意圖如圖1所示。表1為電池各組件的計(jì)算用物性參數(shù)及其尺寸。

表1 PEM電池各組件的尺寸和材料物性參數(shù)Table 1 Dimensions and material properties of PEMFC components

流場(chǎng)板是由碳粉添加黏結(jié)劑壓制而成的，其內(nèi)部氣體流道如圖2所示。而密封圈墊墊于流道的凹槽處將槽道分成5個(gè)區(qū)域，分別為氫氣入口、氫氣出口、氧氣入口、氧氣出口及內(nèi)部流道。由于反應(yīng)時(shí)需要?dú)錃獾臍饬渴茄鯕獾?倍，因此槽道的深度應(yīng)該不同，約為2∶1，為了減小計(jì)算量，此建模中將兩面槽道的深度設(shè)為一致。端板由金屬電極和金屬端板構(gòu)成，為了減小計(jì)算量，在建模時(shí)將金屬電極和金屬端板合并為一。

圖2 燃料電池氣體流場(chǎng)板Fig.2 Gas flow field of PEMFC

1.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS軟件是一款有限元分析軟件，而對(duì)于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和效率［10］。網(wǎng)格劃分越精細(xì)，結(jié)果越精確，但其分析時(shí)間就相應(yīng)加長(zhǎng)。因此，網(wǎng)格劃分要有規(guī)劃，對(duì)精度要求較高的部件，應(yīng)減小網(wǎng)格尺寸，加大網(wǎng)格密度；而對(duì)精度要求較低的部件，則加大網(wǎng)格尺寸，減小網(wǎng)格密度，從而使分析效率提高且不影響其計(jì)算精度。由于要研究一定裝配壓力下MEA兩端是否與流道密封且完全接觸，因此需要加大MEA的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量。對(duì)MEA獨(dú)自劃分網(wǎng)格，考慮到MEA整個(gè)部件厚度較薄，故采用平面網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格質(zhì)量良好，如圖3所示。而其余部件則采用系統(tǒng)智能劃分法，其網(wǎng)格如圖4所示。對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行了不同網(wǎng)格情況下的計(jì)算，結(jié)果表明453 834個(gè)節(jié)點(diǎn)和489 987個(gè)單元時(shí)能夠滿足計(jì)算精度的要求。

圖3 MEA網(wǎng)格劃分Fig.3 MEA meshing

圖4 質(zhì)子交換膜燃料電池總體網(wǎng)格劃分Fig.4 PEMFC overall meshing

1.3 接觸方式

由于PEFMC的各個(gè)部分之間有接觸，需要定義適當(dāng)?shù)慕佑|方式。密封圈嵌入流道中，假設(shè)其只能壓縮變形，而不能膨脹變形。因此，定義密封圈與流道的關(guān)系為不可分離。而端板與流道、密封圈與MEA、螺帽與端板之間不能有X、Z方向的相互運(yùn)動(dòng)，只能有Y方向上的相互運(yùn)動(dòng)，則定義其為接觸關(guān)系，且限制其X、Z方向的相互運(yùn)動(dòng)。

2 應(yīng)力分析

2.1 加載壓力載荷

通過對(duì)8個(gè)六角螺帽加力來代替4套螺桿、螺帽的預(yù)緊力。針對(duì)燃料電池的裝配工藝，在8個(gè)螺帽上分別加上500N的力，來模擬計(jì)算傳統(tǒng)裝配工藝中燃料電池的受力情況及其變形情況，見圖5。

圖5 裝配壓力加載示意圖Fig.5 Diagram of assembly pressure loading

2.2 燃料電池各部件變形情況及應(yīng)力分布情況

圖6 為單電池在不同裝配應(yīng)力下的應(yīng)力分布情況，在4個(gè)不同加載力（300、400、500、600N）的情況下，PEM單電池均有相似的應(yīng)力分布情況。即在4個(gè)螺栓附近的應(yīng)力最大，在各條邊的中間位置應(yīng)力最??；隨著壓力的增大，應(yīng)力增大。短邊中間的應(yīng)力要大于長(zhǎng)邊中間的應(yīng)力，這主要是由于更長(zhǎng)的邊其分布更不均勻，集中在螺栓周圍。

圖7為不同壓力載荷下MEA的變形情況。對(duì)于MEA來說其4個(gè)角受力較大，且中部變形稍大于除4個(gè)角以外的其余部分。這是因?yàn)槁菟ǚ植荚诙税宓?個(gè)角上，由于不銹鋼短板的少量變形，從而造成MEA的4個(gè)角的變形較大而其余部分較小。由于MEA中間部分有槽道狀分布的變形，則可說明MEA與氫氣、氧氣槽道有良好接觸，沒有因?yàn)槎税宓淖冃危斐芍虚g隆起，從而發(fā)生中間不良接觸的現(xiàn)象。而從4個(gè)角的變形情況來看，有密封圈的地方出現(xiàn)少量隆起變形，而密封圈的兩邊均有少量向下變形。這是由于密封圈相對(duì)于流道有0.1mm的突出，從而造成MEA的這種變形情況。

圖6 單電池在不同載荷下的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress contour under different pressure loads

圖7 不同壓力載荷下MEA的變形量Fig.7 Deformation contour of MEA under different pressure loads

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究應(yīng)用ANSYS軟件模擬了質(zhì)子交換膜燃料電池的裝配過程，分析了各組件在傳統(tǒng)裝配工藝條件下的變形和應(yīng)力分布情況，重點(diǎn)分析了MEA的變形分布規(guī)律，由此來驗(yàn)證MEA是否密封且與流道完全接觸；比較和分析了300、400、500、600N4種不同加載對(duì)裝配的影響。結(jié)果表明，由于螺栓的作用，端板發(fā)生少量翹曲變形，從而導(dǎo)致各組件接觸應(yīng)力分布不均；400N的裝配壓力為最佳。此結(jié)果可為質(zhì)子交換膜燃料電池的裝配提供一定的指導(dǎo)。

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