劉永昌，胡學(xué)家，談金祝，張曉維

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京210009）

PEM燃料電池組裝接觸壓力的有限元分析

劉永昌，胡學(xué)家，談金祝，張曉維

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京210009）

質(zhì)子交換膜(proton exchangemembrane,PEM)燃料電池組裝接觸壓力對(duì)燃料電池的性能至關(guān)重要。建立了包括燃料電池端板、電流收集器、雙極板、墊片、氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer,GDL)、膜電極組件(membrane electrode assembly,MEA)和螺栓等在內(nèi)完整的燃料電池三維有限元模型，采用有限元方法研究在不同組裝力下PEM燃料電池的接觸壓力及其分布。有限元分析結(jié)果表明，燃料電池組裝力增大，GDL與雙極板以及MEA與GDL之間的接觸壓力也隨之增大。組裝力約為3.0 N·m時(shí)，燃料電池雙極板與GDL之間的接觸壓力分布以及MEA與GDL之間的接觸壓力分布均具有較好的均勻性。

PEM燃料電池；組裝力；接觸壓力；有限元方法

一個(gè)典型的質(zhì)子交換膜(proton exchangemembrane,PEM)燃料電池由端板、電流收集器、雙極板、墊片、氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer,GDL)和膜電極組件(membrane electrode assembly,MEA)等組成，這些部件通過(guò)螺栓組裝在一起。在組裝過(guò)程中，若組裝力不足，燃料電池部件間接觸壓力過(guò)小，燃料電池不能很好地密封，導(dǎo)致反應(yīng)氣體泄漏，燃料電池界面接觸電阻增加；若組裝力過(guò)大，燃料電池接觸壓力過(guò)大，降低GDL的孔隙率，增大氣體擴(kuò)散阻力，損傷燃料電池的部件[1-2]。因此，在一定的組裝外力下，PEM燃料電池部件間接觸壓力及其分布對(duì)燃料電池的電化學(xué)性能有重要影響。

有關(guān)組裝力對(duì)燃料電池性能影響的研究有許多報(bào)道。Lee等[3]研究了分別采用三種不同的氣體擴(kuò)散層(ELAT，CARBEL和TORAY組合，TORAY)在三種組裝力下的燃料電池電化學(xué)性能。Zhou等[4]利用數(shù)值模擬的方法研究了組裝力作用下GDL變形對(duì)燃料電池的影響。Lee等[2]用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法研究了燃料電池的組裝對(duì)MEA和GDL接觸狀態(tài)以及接觸壓力的影響。李果等[5]針對(duì)PEM燃料電池中的雙極板與氣體擴(kuò)散層，采用實(shí)驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方法研究螺栓夾緊力對(duì)接觸電阻的影響。

盡管有一些文獻(xiàn)報(bào)道了燃料電池組裝行為以及組裝力對(duì)燃料電池性能的影響，但有關(guān)PEM燃料電池組裝接觸壓力及其分布的研究報(bào)道較少。本文以一臺(tái)三通道蛇形流場(chǎng)PEM燃料電池為研究對(duì)象，采用有限元方法，研究在不同組裝外力下，燃料電池GDL與雙極板以及MEA與GDL之間的接觸壓力及其分布，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究各部件之間的接觸壓力分布均勻性。

1 有限元模擬

1.1 幾何模型及材料參數(shù)

本文采用三維有限元模型模擬單個(gè)燃料電池，其結(jié)構(gòu)包括端板、電流收集器、雙極板、密封墊片、螺栓、螺母、GDL以及MEA，在端板4個(gè)角以及邊沿中間位置安裝8個(gè)螺栓-螺母結(jié)構(gòu)。雙極板流場(chǎng)為蛇形流場(chǎng)，流道和脊的寬度均為1.2mm，流道深度0.6mm。各部件的幾何尺寸見(jiàn)表1。由于燃料電池結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，取燃料電池結(jié)構(gòu)的1/8建立有限元模型。燃料電池有限元分析幾何模型見(jiàn)圖1。

表1 各部件幾何尺寸

圖1 PEM燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

燃料電池的PEM為美國(guó)DUPONT的Nafion212質(zhì)子交換膜，GDL是日本TORAY公司的TGP-H-060碳紙，部分力學(xué)性能由商家提供，各部件的材料機(jī)械性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各部件材料機(jī)械性能參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

模型中所有部件均采用實(shí)體單元，單元類(lèi)型為C3D8R，即八節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元。線性縮減積分單元的優(yōu)點(diǎn)是位移求解結(jié)果精確，即使網(wǎng)格扭曲變形時(shí)，分析精度都不會(huì)受太大影響，不容易發(fā)生剪切自鎖現(xiàn)象[6]。GDL、MEA以及雙極板流場(chǎng)部分是PEM燃料電池的關(guān)鍵部位，應(yīng)將其網(wǎng)格局部細(xì)化，模型共劃分為138445個(gè)單元，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.3 邊界條件及載荷施加

本文有限元分析模型為燃料電池結(jié)構(gòu)的1/8，所以在其對(duì)稱(chēng)面上分別施加關(guān)于軸、軸、軸的對(duì)稱(chēng)邊界條件。PEM燃料電池中各組件間的主要裝配關(guān)系為接觸裝配關(guān)系。采用面對(duì)面算法定義端板與電流收集器、電流收集器與雙極板、雙極板與密封墊片、雙極板與GDL、GDL與MEA、密封墊片與MEA、螺栓與端板的接觸關(guān)系。忽略各個(gè)接觸對(duì)之間的摩擦，全部采用無(wú)摩擦約束定義接觸屬性。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

燃料電池每個(gè)螺栓上施加載荷為2.0～5.0 N·m，將所施加扭矩轉(zhuǎn)化為螺栓力分別施加于螺栓上。螺栓力的施加如圖3所示。

圖3 施加螺栓力

2 結(jié)果分析

在不同的組裝外力下，GDL與雙極板接觸壓力的有限元分析結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4(a)表示在施加組裝外力為2.0 N·m時(shí)GDL與雙極板接觸壓力的有限元分析結(jié)果，圖4(b)表示在施加組裝外力為5.0 N·m時(shí)GDL與雙極板接觸壓力的有限元分析結(jié)果。圖4中藍(lán)色部分表示GDL與雙極板流場(chǎng)流道接觸區(qū)域，由于兩個(gè)面的節(jié)點(diǎn)未發(fā)生接觸關(guān)系，故其接觸壓力為零。由圖4可以看出，GDL與雙極板接觸壓力隨著施加外力的增加而增加。

圖4 氣體擴(kuò)散層與雙極板的接觸壓力分布

為了進(jìn)一步分析GDL與雙極板接觸壓力分布情況，本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)分析GDL與雙極板接觸區(qū)域上的接觸壓力。

為了分析雙極板流場(chǎng)脊與GDL接觸區(qū)域上的接觸壓力分布規(guī)律，取GDL上接觸壓力大于零的所有節(jié)點(diǎn)(即雙極板流場(chǎng)脊與GDL接觸區(qū)域的所有節(jié)點(diǎn))，共6630個(gè)。接觸壓力平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表3。

表3 氣體擴(kuò)散層與雙極板的接觸壓力均值及標(biāo)準(zhǔn)差

從表3可以看出，GDL與雙極板的接觸壓力平均值隨著組裝力的增加而增大；接觸壓力的標(biāo)準(zhǔn)差隨著組裝力的增大，呈先減小后增大的趨勢(shì)。其中，當(dāng)組裝力為2.5和3.0 N·m時(shí)，接觸壓力的均勻性差別微小。由此可見(jiàn)，在2.5～3.0 N·m之間，存在一個(gè)使GDL上接觸壓力分布較均勻的組裝力。

圖5為MEA與GDL的接觸壓力有限元分析結(jié)果，圖5 (a)表示在施加組裝外力為2.0 N·m時(shí)MEA與GDL接觸壓力的有限元分析結(jié)果，圖5(b)表示在施加組裝外力為5.0 N·m時(shí)MEA與GDL接觸壓力的有限元分析結(jié)果。從圖5中可以看出，淺藍(lán)色部分為流場(chǎng)脊，接觸壓力較大，MEA與GDL的接觸壓力隨著施加外力的增加而增加。MEA與GDL的接觸壓力平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表4。

圖5 膜電極組件與氣體擴(kuò)散層的接觸壓力分布

從表4可以看出，MEA上的接觸壓力平均值隨著組裝力的增加而增大；接觸壓力的標(biāo)準(zhǔn)差隨著組裝力的增大，呈先減小后增大的趨勢(shì)。其中，當(dāng)組裝力為3.0和3.5 N·m時(shí)，接觸壓力的標(biāo)準(zhǔn)差很接近且較小，這表明組裝力在3.0～3.5 N·m時(shí)，MEA與GDL之間的接觸壓力較均勻。

表4 膜電極組件與氣體擴(kuò)散層的接觸壓力均值及標(biāo)準(zhǔn)差

為了分析在各種組裝外力下GDL與雙極板以及MEA與GDL之間的接觸壓力分布均勻性，將表3和表4中的數(shù)據(jù)繪于圖6。由圖6可以清楚地看到，組裝力大約在3.0 N·m時(shí)，燃料電池雙極板與GDL之間的接觸壓力分布以及MEA與GDL之間的接觸壓力分布均具有較好的均勻性。

圖6 接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差與組裝力的擬合曲線

3 結(jié)論

采用三維有限元方法對(duì)PEM燃料電池進(jìn)行有限元分析，在不同組裝力作用下，研究了GDL與雙極板之間以及GDL與MEA之間的接觸壓力及其分布，結(jié)果表明：

（1）考慮PEM燃料電池中各組件間的接觸裝配關(guān)系和接觸屬性，建立了包括端板、電流收集器、雙極板、墊片、GDL、MEA和螺栓等在內(nèi)完整的燃料電池三維有限元模型。

（2）組裝力對(duì)GDL和MEA上的接觸壓力及其分布均勻性有顯著影響，組裝力增大，燃料電池部件之間的接觸壓力也隨之增大。

（3）燃料電池組裝過(guò)程中存在一個(gè)最佳組裝力，從而使燃料電池GDL和MEA上接觸壓力分布最佳。本研究中組裝力約為3.0 N·m時(shí)，GDL與雙極板之間的接觸壓力分布以及MEA與GDL之間的接觸壓力分布都具有較佳的均勻性。

[1]LAI X M,LIU DA,PENG L F,et al.Amechanical-electrical finite elementmethodmodel for predicting contact resistance between bipolar plate and gas diffusion layer in PEM fuel cells[J].Journal of Power Sources,2008,182:153-159.

[2]LEE S J,HSU C D,HUANG C H.Analyses of the fuel cell stack assembly pressure[J].Journal of Power Sources,2005,145:353-361.

[3]LEE W K,HO C H,VAN Z 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,1999,84:45-51.

[4]LIM C,WANG C Y.Development ofhigh-power electrodes for a liquid-feed directmethanol fuel cell[J].Journal of Power Sources, 2003,113(1):145-150.

[5]李果，談金祝，鞏建鳴.PEM燃料電池雙極板與氣體擴(kuò)散層界面接觸電阻測(cè)量與模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(8)：158-162.

[6]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Finite element analysis of assembly contact pressure in PEM fuel cell

LIU Yong-chang,HU Xue-jia,TAN Jin-zhu,ZHANG Xiao-wei

The contact pressure for proton exchangemembrane(PEM)fuel cell assembly was critical to the performance of the PEM fuel cell.A 3-dimensional finite elementmodel was built for the PEM fuel cell,including end plates,current collectors,bipolar plates,gaskets,gas diffusion layers(GDLs),membrane electrode assembly(MEA) and bolts.Using finite elementmethod,the contact pressure as well as pressure distribution were studied for the PEM fuel cell applied with various assembly forces.The finite element analysis results show that the contact pressures between GDL and bipolar plate and the GDL and MEA in the PEM fuel cell are increased with the increase of assembly force.It is found that the contact pressure distribution both between GDL and bipolar plate and between GDL and MEAhad the good uniformity as the PEM fuel cell was applied with the assembly force of about 3.0 N·m in this study.

PEM fuel cell;assembly force;contact pressure;finite elementmethod

TM 911.4

A

1002-087 X(2014)10-1818-03

2014-03-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(51175241)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009362)

劉永昌(1984—)，男，河北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉醇夹g(shù)。

談金祝(1964—)，男，江蘇省人，教授，主要研究方向?yàn)樾履茉醇夹g(shù)及裝備。