PEMFC燃料電池三級(jí)電堆的裝配分析

□ 汪洋鋒 □ 陳 濤 □ 艾有俊 □ 杜 斌

武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070

能源和環(huán)境是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著人類社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的提高，環(huán)境和資源問題的日益嚴(yán)峻，能源的可持續(xù)發(fā)展問題越來越受到重視，對(duì)未來能源發(fā)展的要求是高效、潔凈和價(jià)格低廉。質(zhì)子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、對(duì)環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)緊湊、無需充電及啟動(dòng)快速等優(yōu)點(diǎn)，是一種將氫氣和氧氣結(jié)合產(chǎn)生水并釋放電能的裝置，被廣泛認(rèn)為是未來最有發(fā)展前途的清潔能源，尤其是適用于便攜式電源、移動(dòng)的電子產(chǎn)品、小型固定發(fā)電站以及汽車等。

現(xiàn)階段，燃料電池主要依靠經(jīng)驗(yàn)和手工裝配，裝配工藝效率差、精度低且手工操作失誤多，從而大大增加了PEMFC的制造成本。在PEMFC的裝配過程中，裝配壓力過大或過小均會(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，且雙極板由碳板壓制而成，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，從而降低電堆的性能。

目前，國內(nèi)外有一些對(duì)燃料電池的裝配過程進(jìn)行模擬的研究。Lee等［1］通過改變不同的夾緊力得到相應(yīng)的極化曲線，來測(cè)試電池的性能隨夾緊力的變化，發(fā)現(xiàn)由于材料機(jī)械性能和孔隙率的不同，每一個(gè)氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layers,GDL）都有其對(duì)應(yīng)的最佳裝配壓力。Ge等［2］使用了一種無需將燃料電池拆開即可測(cè)試不同壓力下電池性能的方法，目的是對(duì)獲得的結(jié)果加以比較和重復(fù)，他們通過研究GDL壓力如何影響PEMFC性能后認(rèn)為，不能得到一個(gè)最佳的壓力，這是因?yàn)樘〉膲毫⒉蛔阋悦芊馊剂想姵?。Escribano等［3］研究了包括熱壓和在電池兩面施加連續(xù)擠壓力情況下對(duì)電池性能的影響，他們使用了各種類型的碳纖維基底（布、氈和紙）來進(jìn)行研究，結(jié)果表明，施加在GDL上的壓力應(yīng)當(dāng)盡量減小，以此來減小大電流密度和低壓下的質(zhì)量傳輸損失。Bazylak等［4］探索了受壓后的GDL性能下降是如何影響到水傳輸通道的形成的。Lin［5］發(fā)現(xiàn)了夾緊力對(duì)碳紙的電物理特性（如孔隙率、氣體擴(kuò)散率）的影響，然后在不考慮孔隙率不均勻分布的情況下實(shí)驗(yàn)測(cè)試了它們之間的關(guān)系。上述研究主要集中在研究電池性能、GDL上的壓力以及電池內(nèi)部水的傳輸現(xiàn)象這三者之間的關(guān)系，從這些文獻(xiàn)資料來看，實(shí)驗(yàn)工作已經(jīng)表明夾緊力是通過改變GDL孔隙率并且最終引發(fā)特殊的水管理問題來影響電池性能的，但沒有顯示電池工作時(shí)GDL孔隙率的實(shí)際變化情況。

本研究擬對(duì)PEMFC三級(jí)電堆裝配過程進(jìn)行建模和分析，得出燃料電池堆的最佳裝配載荷和裝配工藝，以提高效率、降低成本。

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)。本研究應(yīng)用ANSYS Workbench來對(duì)PEMFC三級(jí)電堆的裝配進(jìn)行建模和有限元分析。

典型的PEMFC電堆由多個(gè)相同的單電池串聯(lián)裝配而成，主要包括端板、雙極板、膜電極和密封墊圈等組件。本研究中的PEMFC三級(jí)電堆由3片膜電極（Membrane Electrolyte Assembly，MEA）、3 片密封墊圈（Sealant）、2 片端板 （End Plate）、4 片單 （雙）極板（Bipolar Plate）及4套螺桿螺母構(gòu)成，其中MEA由兩層GDL、兩層催化層 （Catalyst Layer，CL）、一層質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane， PEM）構(gòu)成。

三級(jí)電堆裝配示意圖如圖1所示，表1為電堆各組件的材料參數(shù)及尺寸。

▲圖1 燃料電池三級(jí)電堆裝配示意圖

表1 PEMFC各組件的尺寸和材料參數(shù)

電堆中各單電池在端板的緊固螺栓作用下受到裝配壓力，雙極板與MEA間屬于超靜定裝配，多個(gè)單電池結(jié)構(gòu)在兩塊端板的作用下，串聯(lián)裝配組成PEMFC電堆。電堆內(nèi)部裝配壓力的傳遞機(jī)理為：給螺栓施加扭矩后，端板對(duì)極板產(chǎn)生裝配力，極板在裝配力的作用下，壓縮密封墊圈使其厚度減小，從而使極板與MEA產(chǎn)生接觸，因此在電堆裝配完成后，螺栓裝配扭矩產(chǎn)生的裝配力由密封墊圈和MEA共同承擔(dān)。通常，密封墊圈的厚度大于MEA的厚度，使極板與MEA間存在初始裝配間隙，如果密封墊圈厚度過大，則會(huì)造成極板與MEA間初始裝配間隙過大。此時(shí)如果螺栓裝配扭矩不夠，則會(huì)導(dǎo)致極板與MEA間接觸不充分和MEA接觸壓力較小，使接觸電阻增大，導(dǎo)致PEMFC性能降低。反之，如果密封墊圈厚度過小，則可能導(dǎo)致極板和MEA過分接觸和MEA上接觸壓力過大，造成MEA損壞;甚至可能由于密封墊圈厚度不夠，導(dǎo)致電堆密封效果較差和反應(yīng)氣體泄漏，引起更加嚴(yán)重的后果。因此，極板與MEA間的接觸行為受到螺栓裝配扭矩和密封墊圈的雙重影響，必須選擇合適的密封墊圈厚度和螺栓裝配扭矩，以獲得良好的MEA接觸壓力分布。由于GDL和PEM都很薄，為了減小計(jì)算規(guī)模，在三維模型中通常將GDL和PEM集成為一個(gè)MEA，從而將MEA當(dāng)作一個(gè)整體來處理。

1.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench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。網(wǎng)格劃分越精細(xì)，結(jié)果越精確，但是其分析時(shí)間就相應(yīng)增加。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，則可以加大網(wǎng)格尺寸，減小網(wǎng)格密度，從而在分析效率提高的同時(shí)不影響其計(jì)算精度。由于要研究一定裝配載荷下MEA兩端是否與流道密封且完全接觸，對(duì)MEA的計(jì)算精度要求較高，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2所示。而其余部件相對(duì)精度要求較低，可以采用系統(tǒng)智能劃分法，如圖3所示。

1.3 接觸方式

由于電堆模型的對(duì)稱性，在其對(duì)稱邊界上施加對(duì)稱邊界條件，防止模型的剛體運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際電堆裝配中，整個(gè)電堆由端板上的螺栓結(jié)構(gòu)緊固，當(dāng)在各個(gè)螺栓上施加扭矩時(shí)，電堆各個(gè)組件被夾緊。由于PEMFC電堆中各組件間的裝配關(guān)系主要是接觸裝配關(guān)系，本文的電堆模型中定義了兩種接觸關(guān)系：端板與單極板之間、單（雙）極板與MEA之間、單（雙）極板與密封墊圈之間的接觸關(guān)系。對(duì)于端板與單極板、單（雙）極板與MEA之間的接觸關(guān)系，通過建立經(jīng)典接觸對(duì)方法，模擬它們之間的接觸關(guān)系。

▲圖3 電堆整體網(wǎng)格劃分

▲圖2 MEA網(wǎng)格劃分

1.4 加載

▲圖4 MEA和密封墊圈的總體變形云圖－I

▲圖5 MEA和密封墊圈的總體變形云圖－II

本文采用兩種加載方式對(duì)電堆的裝配進(jìn)行仿真模擬。方式一：直接用4套螺栓和螺母對(duì)端板上的4個(gè)沉頭孔加載，使端板夾緊電堆；方式二：對(duì)端板整個(gè)表面加載而壓緊電堆。分別對(duì)這兩種加載方式施加不同大小的載荷：0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa。

2 結(jié)果分析

選取中間的MEA和密封墊圈進(jìn)行分析。如圖4為采用第一種加載方式時(shí)MEA和密封墊圈的總體變形云圖－I，圖5為采用第二種加載方式時(shí)MEA和密封墊圈的總體變形云圖－II。表2為兩種加載方式分別加載不同大小的載荷時(shí)，對(duì)應(yīng)的MEA和密封墊圈的最大和最小變形量。

結(jié)合圖4和表2可以得出，當(dāng)使用第一種加載方式，施加的載荷為1.0～1.5 MPa時(shí)，MEA的變形比較均勻，能看到MEA上有明顯的極板流道對(duì)它的壓痕，且MEA整體變形量適中，說明此時(shí)能保證MEA與雙極板接觸良好又不至于損壞MEA，此時(shí)電堆性能達(dá)到最佳。而施加的載荷過小，如0.5 MPa時(shí)，MEA變形量過小，不能保證MEA能與雙極板充分接觸，從而增大它們之間的接觸電阻，使電堆性能下降。施加的載荷過大，如2.0～3.0 MPa時(shí)，MEA變形量過大，降低電堆性能，甚至可能會(huì)損壞MEA，使電堆無法正常工作。

表2 不同載荷下MEA和密封墊圈的變形量

▲圖6 MEA和密封墊圈上的5條路徑

結(jié)合圖5和表2可以得出，當(dāng)使用第二種加載方式，施加的載荷為0.5～1.0 MPa時(shí)，MEA的變形比較均勻，能看到MEA上有明顯的極板流道對(duì)它的壓痕，且MEA整體變形量適中，此時(shí)能保證MEA與雙極板接觸良好又不至于損壞MEA，此時(shí)電堆性能達(dá)到最佳。

如圖6所示，在MEA上取3條路徑分別為Path1、Path2、Path3，在密封墊圈上取2條路徑分別為Path4、Path5，用MATLAB分別作出這5條路徑在不同加載方式和不同載荷下的變形曲線圖，如圖7～圖11。

由圖7～圖11可知，其中圖9的Path3最能代表MEA的整體變形，可以看出，采用第一種加載方式，載荷為1.0～1.5 MPa時(shí)，MEA和密封墊圈的變形曲線比較平滑，并且從密封墊圈的變形可以知道此時(shí)電堆的密封性也能得到保證，說明此時(shí)加載的載荷能使電池性能達(dá)到最優(yōu)；采用第二種加載方式，載荷為0.5～1.0 MPa時(shí)MEA和密封墊圈的變形曲線比較平滑，MEA和雙極板接觸良好，密封墊圈密封性良好，此時(shí)加載的載荷能使電池性能達(dá)到最優(yōu)。

綜上，采用第一種加載方式時(shí)的最優(yōu)裝配載荷為1.0～1.5 MPa，采用第二種加載方式時(shí)的最優(yōu)裝配載荷為 0.5～1.0 MPa。

3 結(jié)束語

▲圖7 MEA path1變形曲線圖

▲圖8 MEA path2變形曲線圖

▲圖9 MEA path3變形曲線圖

▲圖11 密封墊圈path5變形曲線圖

▲圖10 密封墊圈path4變形曲線圖

燃料電池電堆的裝配對(duì)電堆性能有很重要的影響，通過建立燃料電池三級(jí)電堆的三維裝配模型，揭示了電堆裝配過程中核心組件MEA和密封墊圈的接觸壓力分布規(guī)律、變形，以及它們對(duì)電堆的密封性和電堆性能的影響。研究了給定裝配工藝條件下不同的裝配載荷對(duì)電堆性能的影響，該研究將為金屬極板燃料電池電堆裝配建模和裝配工藝設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

［1］ Lee W K，Ho C H，Van Zee J W，et al.The Effects of Compression and Gas Diffusion Layers on the Performance of a PEM Fuel Cell［J］.Journal of Power Sources，1999，84（1）:45-51.

［2］ Ge J， Higier A， Liu H T.Effect of Gas Diffusion Layer Compression on PEM Fuel Cell Performance ［J］.Journal of Power Sources，2006，159（2）:922-927.

［3］ Escribano S， Blachot J F.Characterization of PEMFCs Gas Diffusion Layers Properties ［J］.Journal of Power Sources，2006， 156（1）:8-13.

［4］ Bazylak A，Sinton D.Effect of Compression on Liquid Water Transport and Microstructure of PEMFC Gas Diffusion Layers［J］.Journal of Power Sources， 2007,163（2）:784-792.

［5］ Lin W,L.Hongtan.Separate Measurement of Current Density Under the Channel and the Shoulder in PEM Fuel Cells［J］.Journal of Power Sources，2008，180（1）:365-372.

［6］ 肖鋼．燃料電池技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［7］ 李春曦，王佳，葉學(xué)民．我國新能源發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］．電力科學(xué)與工程，2012，28（4）．

［8］ 賈同國，王銀山，李志偉．氫能源發(fā)展研究現(xiàn)狀［J］．節(jié)能技術(shù)，2011，29（3）：264-267．

［9］ 干頻，劉冬安，馮力中，等.金屬極板燃料電池電堆接觸壓力的分布規(guī)律［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010（5）：134-138.

［10］尹燕，杜青，胡亞楠.組裝載荷對(duì)PEM燃料電池接觸電阻及性能的影響［J］.中國科技論文在線，2010，5（11）：846-849.

［11］項(xiàng)忠曉，泮國榮，徐國峰，等.基于ANSYS的PEM單電池組裝應(yīng)力分析［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（1）：10-14.