質(zhì)子交換膜燃料電池密封結(jié)構(gòu)設計方法研究

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(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)通過氫氣和氧氣發(fā)生化學反應產(chǎn)生電能，具有體積小、能量密度大、噪音低等特點，是新能源技術(shù)研究的熱點，在電動汽車、便攜式電源、小型固定式發(fā)電站等場合具有較好的應用前景。為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，質(zhì)子交換膜燃料電池一般采用多層結(jié)構(gòu)，每一層中均包含能夠獨立進行電化學反應的物質(zhì)輸送流道，為了防止反應物泄露，層與層之間需要設計相應的密封結(jié)構(gòu)，密封結(jié)構(gòu)的可靠性直接決定了燃料電池的使用壽命。目前關(guān)于燃料電池的研究絕大部分集中于電化學反應相關(guān)的系統(tǒng)建模，例如水管理、熱管理等，對于密封結(jié)構(gòu)則缺乏較為詳細的研究，密封溝槽和密封圈的設計往往根據(jù)密封要求進行孤立的計算，缺乏基于電池工作性能的系統(tǒng)性研究。在質(zhì)子交換膜燃料電池封裝力計算原則的基礎上，結(jié)合橡膠密封圈形變規(guī)律，首先分析了最佳封裝力作用下密封結(jié)構(gòu)的設計準則，針對不同情況分別給出了密封結(jié)構(gòu)的設計方法，最后使用有限元方法對燃料電池密封結(jié)構(gòu)進行了仿真計算，驗證了理論模型的正確性。

1 燃料電池工作原理及密封結(jié)構(gòu)

質(zhì)子交換膜燃料電池的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由雙極板、擴散層、膜電極等組成。雙極板上一般刻蝕一定形狀的流道，氫氣和氧氣通過兩側(cè)的雙極板分別進入與之相鄰的擴散層，氫氣和氧氣在膜電極相遇后發(fā)生電化學反應，生成水并釋放電能。為了防止工作過程中氫氣、氧氣以及水泄露，雙極板和擴散層之間需要采取一定的密封措施，最常用的是采用密封圈密封。通常在雙極板上開設一定形狀的密封槽并放置密封圈，最后在雙極板兩側(cè)施加一定的封裝力使密封圈變形，實現(xiàn)可靠密封。實際燃料電池由多組圖1所示的典型結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成從而實現(xiàn)大功率穩(wěn)定發(fā)電。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

燃料電池內(nèi)阻是其主要的工作參數(shù)之一，主要由雙極板、擴散層、膜電極的電阻效應引起，也被稱為接觸電阻，其中擴散層的電阻起主導作用。接觸電阻又分為層內(nèi)電阻和層間電阻，層內(nèi)電阻指擴散層本身的電阻，層間電阻指擴散層和雙極板以及膜電極之間接觸部分引起的電阻。相關(guān)研究表明，無論是層間電阻還是層內(nèi)電阻都隨擴散層厚度的減小而減小，即封裝力越大，擴散層等被擠壓的越薄，接觸電阻越??；同時，擴散層一般為多孔疏松介質(zhì)，當其被擠壓而厚度減小時，孔隙率會隨之下降，氫氣、氧氣的滲透性減小，影響內(nèi)部電化學反應速率。因此，對于質(zhì)子交換膜燃料電池而言，存在一個最優(yōu)封裝力，在此封裝力下擴散層接觸電阻和透氣率均為最佳。密封結(jié)構(gòu)基于此最優(yōu)封裝力設計，保證電池最佳性能的前提下密封結(jié)構(gòu)仍具有較長的使用壽命。

2 密封結(jié)構(gòu)建模分析

2.1 橡膠壓縮特性

橡膠密封圈是靠擠壓變形后與接觸面產(chǎn)生的接觸應力實現(xiàn)密封的，不同橡膠材料在不同的密封條件下對變形率有嚴格的要求。變形率是指密封圈壓縮前后在形變方向的變化率，典型的圓形截面密封圈如圖2所示，計算方法為式1。變形率太小，產(chǎn)生的接觸應力不足以密封壓力介質(zhì)，最終導致泄露；變形率太大則橡膠在壓縮一段時間后會逐漸失去彈性，即發(fā)生永久變形，也會使接觸應力下降導致泄露。一般而言，橡膠材料發(fā)生永久變形前的極限變形率與橡膠種類密切相關(guān)。

圖2 密封圈壓縮示意圖

(1)

其中ε為變形率或應變；H為密封圈自由狀態(tài)高度(mm)；h為密封圈受壓后高度(mm)。

橡膠材料屬于超彈性材料，其變形規(guī)律較為復雜，呈較強的非線性，在解析計算時可以用以下關(guān)系近似表示：

σ=E[(1+ε)-(1+ε)-2]/3

(2)

其中σ為應力(MPa)；E為彈性模量(MPa)。

橡膠的彈性模量E、剪切彈性模量G以及泊松比之間滿足關(guān)系式(3)，通常近似認為橡膠為不可壓縮材料，μ≈0.5，而剪切彈性模量G與邵氏硬度Hr之間的試驗數(shù)據(jù)擬合公式如式4所示。

(3)

G=0.117exp(0.03Hr)

(4)

因此，由公式(3)和(4)可以得到彈性模量與硬度之間的關(guān)系為式(5)

E=0.351exp(0.03Hr)

(5)

橡膠的彈性模量不僅與材料硬度有關(guān)，還與橡膠的具體形狀有關(guān)，考慮外形因素之后的橡膠彈性模量計算公式如式6所示，在進行解析計算時可以先忽略形狀因素的影響。

Ea=iE

(6)

其中:Ea為表觀彈性模量(MPa)；i為外形影響因子。

2.2 密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)計算

燃料電池密封圈的結(jié)構(gòu)與最佳封裝力、介質(zhì)工作壓力密切相關(guān)，以使用最廣泛的圓形截面密封圈為例，其最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)為截面直徑D以及周長C，為了使電池和密封圈均工作在最佳狀態(tài)，設計密封圈時需要對各種因素進行綜合考慮。假設燃料電池內(nèi)部工作介質(zhì)的最高壓力為p，電池的最佳封裝力為F，則密封圈變形后接觸面積S的最大值可以按式(7)計算，當接觸面積大于該值時，最佳封裝壓力作用下密封圈接觸應力小于介質(zhì)最大工作壓力，不能達到密封效果。在接觸面積S確定之后，可以根據(jù)燃料電池的結(jié)構(gòu)尺寸首先確定密封圈的周長C，進而計算密封圈直徑D，如式(8)所示。

(7)

(8)

密封圈工作時的預壓縮量ε可以根據(jù)式(2)計算，應力近似取介質(zhì)工作壓力p，橡膠彈性模量可由橡膠硬度計算，由于式(2)是非線性方程，不易求得解析解，需要通過一定的數(shù)值計算方法求解預壓縮量ε。得到ε后根據(jù)橡膠材料的特性進一步核算預壓縮量是否超過該材料的永久變形壓縮量，如果在許用范圍之內(nèi)則說明在燃料電池的最佳封裝壓力下可以使用該橡膠材料制作密封圈，如果超出許用范圍則表明在最佳封裝壓力下密封圈會發(fā)生永久變形，一段時間之后密封將失效，此時需更換彈性模量更大的橡膠材料，即更硬更大的橡膠制作密封圈。

2.3 密封槽結(jié)構(gòu)設計

由于雙極板大都采用結(jié)構(gòu)強度較高的碳板或金屬板制作而成，因此密封溝槽通常都加工在雙極板上。由前文可以確定密封圈自由狀態(tài)直徑為D，壓縮之后變形量為ε，則密封槽深度可同樣根據(jù)預壓縮量由式(1)計算得到，如式(9)所示。最后，在設計密封槽寬時，必須保證密封槽的截面積大于密封圈的橫截面積，使密封圈受壓后并不會完全充滿密封槽，防止密封圈壓縮之后擠壓變形破壞密封槽。

h=D(1-ε)

(9)

3 基于有限元方法的驗證計算

3.1 燃料電池實例分析

為了驗證以上計算方法的正確性，對單個燃料電池單元進行了有限元仿真計算，其中電池雙極板外形尺寸為100mm×100mm，最佳封裝力為500N，介質(zhì)密封壓力500Kpa，使用硅橡膠作為密封材料，其硬度為75Hr。利用式(4)與式(5)擬合橡膠的彈性模量為2.8MPa，由式(7)可以計算密封圈最大密封面積為0.001m2，根據(jù)燃料電池外形尺寸初步確定密封圈周長為0.32m，寬度取3mm，采用圓形截面密封圈，則其截面直徑D取3mm。同時，根據(jù)式2由彈性模量和密封壓力可以計算密封圈預壓縮量為0.178，小于硅膠的永久變形率0.3，密封槽深度由式計算取2.5mm。

3.2 有限元模型建立

有限元分析中，橡膠材料的變形利用Mooney-Rivlin雙參數(shù)模型計算，根據(jù)橡膠硬度和彈性模量取C1=1.45，C2=0.0165。

對一個燃料電池單元進行建模，并劃分網(wǎng)格，如圖3所示，模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，共包含10230個單元。

圖3 燃料電池典型單元三維模型

圖4 密封圈變形計算結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

固定燃料電池下方雙極板，對上方雙極板施加500N封裝力之后，矩形密封圈變形計算結(jié)果結(jié)果如圖4所示，從中可以看出密封圈受到雙極板的擠壓，變形量最大值為0.5mm，出現(xiàn)在在密封圈中部，符合圓形截面變形規(guī)律。

圖5為密封面上的接觸應力計算結(jié)果，從圖中可以看出，接觸應力分布并不均勻，這是因為密封圈和擴散層之間設置了摩擦接觸副。接觸應力最大值約為916kPa，出現(xiàn)在密封圈中部的局部區(qū)域，而密封圈中部的絕大部分區(qū)域接觸應力約為610kPa，高于設計壓力500kPa，可以到達預期密封效果，滿足設計要求。二者之間的差值主要是因為圓形截面密封圈在受到擠壓后變形并不均勻，中部與固體表面接觸的地方變形較大，局部接觸應力也較大，而兩側(cè)接觸應力逐漸下降，理論計算是僅假設密封圈均勻變形，與實際有一定偏差。

圖5 密封圈接觸應力計算結(jié)果

圖6為密封圈剪切應力計算結(jié)果，密封圈剪切應力呈對稱分布，變形過程中沒有發(fā)生較大的扭曲，剪切應力最大值約511kPa，遠小于該硬度橡膠許用剪切應力7.1MPa。

圖6 密封圈剪切應力計算結(jié)果

有限元計算結(jié)果表明，燃料電池密封結(jié)構(gòu)設計方法可以保證電池在最佳封裝力下實現(xiàn)理想的密封效果，基于該方法設計的密封槽和密封圈既可以保證燃料電池的最佳工作性能，同時也在密封圈永久變形范圍內(nèi)，具有較為可靠的使用壽命。但是由于橡膠變形的非線性較強，利用理論方法計算的密封圈接觸應力與仿真值存在一定差距。

4 結(jié) 論

針對質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理，提出了基于最佳封裝力的密封結(jié)構(gòu)設計方法，利用該方法設計的密封槽和密封圈不僅可以保證燃料電池的最佳工作性能，同時密封圈也處于最佳壓縮狀態(tài)，有較為可靠的使用壽命，該方法可以為質(zhì)子交換膜燃料電池密封結(jié)構(gòu)快速設計或經(jīng)驗設計提供理論指導。

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