□ 汪洋鋒 □ 陳 濤 □ 艾有俊 □ 杜 斌

武漢理工大學 機電工程學院 武漢 430070

能源和環(huán)境是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎，隨著人類社會的進步和生活水平的提高，環(huán)境和資源問題的日益嚴峻，能源的可持續(xù)發(fā)展問題越來越受到重視，對未來能源發(fā)展的要求是高效、潔凈和價格低廉。質子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有能量轉換效率高、功率密度高、對環(huán)境友好、結構緊湊、無需充電及啟動快速等優(yōu)點，是一種將氫氣和氧氣結合產生水并釋放電能的裝置，被廣泛認為是未來最有發(fā)展前途的清潔能源，尤其是適用于便攜式電源、移動的電子產品、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驗和手工裝配，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對電池性能造成影響，甚至損壞電池。若裝配壓力過大，會造成膜電極（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，國內外有一些對燃料電池的裝配過程進行模擬的研究。Lee等［1］通過改變不同的夾緊力得到相應的極化曲線，來測試電池的性能隨夾緊力的變化，發(fā)現(xiàn)由于材料機械性能和孔隙率的不同，每一個氣體擴散層（Gas Diffusion Layers,GDL）都有其對應的最佳裝配壓力。Ge等［2］使用了一種無需將燃料電池拆開即可測試不同壓力下電池性能的方法，目的是對獲得的結果加以比較和重復，他們通過研究GDL壓力如何影響PEMFC性能后認為，不能得到一個最佳的壓力，這是因為太小的壓力將不足以密封燃料電池。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）來進行研究，結果表明，施加在GDL上的壓力應當盡量減小，以此來減小大電流密度和低壓下的質量傳輸損失。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)了夾緊力對碳紙的電物理特性（如孔隙率、氣體擴散率）的影響，然后在不考慮孔隙率不均勻分布的情況下實驗測試了它們之間的關系。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部水的傳輸現(xiàn)象這三者之間的關系，從這些文獻資料來看，實驗工作已經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GDL孔隙率的實際變化情況。

本研究擬對PEMFC三級電堆裝配過程進行建模和分析，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。本研究應用ANSYS Workbench來對PEMFC三級電堆的裝配進行建模和有限元分析。

典型的PEMFC電堆由多個相同的單電池串聯(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套螺桿螺母構成，其中MEA由兩層GDL、兩層催化層 （Catalyst Layer，CL）、一層質子交換膜（Proton Exchange Membrane， PEM）構成。

三級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，多個單電池結構在兩塊端板的作用下，串聯(lián)裝配組成PEMFC電堆。電堆內部裝配壓力的傳遞機理為：給螺栓施加扭矩后，端板對極板產生裝配力，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產生接觸，因此在電堆裝配完成后，螺栓裝配扭矩產生的裝配力由密封墊圈和MEA共同承擔。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，則會造成極板與MEA間初始裝配間隙過大。此時如果螺栓裝配扭矩不夠，則會導致極板與MEA間接觸不充分和MEA接觸壓力較小，使接觸電阻增大，導致PEMFC性能降低。反之，如果密封墊圈厚度過小，則可能導致極板和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，導致電堆密封效果較差和反應氣體泄漏，引起更加嚴重的后果。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，為了減小計算規(guī)模，在三維模型中通常將GDL和PEM集成為一個MEA，從而將MEA當作一個整體來處理。

1.2 網格劃分

ANSYS Workbench軟件是一款有限元分析軟件，而對于有限元分析來說，網格劃分是其中最關鍵的一個步驟，網格劃分的質量直接影響到計算結果的精度和效率。網格劃分越精細，結果越精確，但是其分析時間就相應增加。因此，網格劃分要有規(guī)劃，對精度要求較高的部件，應減小網格尺寸，加大網格密度；而對精度要求較低的部件，則可以加大網格尺寸，減小網格密度，從而在分析效率提高的同時不影響其計算精度。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MEA的計算精度要求較高，因此需要加大MEA的網格劃分數(shù)量。對MEA獨自劃分網格，考慮到MEA整個部件厚度較薄，故采用平面網格劃分法，網格質量良好，如圖2所示。而其余部件相對精度要求較低，可以采用系統(tǒng)智能劃分法，如圖3所示。

1.3 接觸方式

由于電堆模型的對稱性，在其對稱邊界上施加對稱邊界條件，防止模型的剛體運動。在實際電堆裝配中，整個電堆由端板上的螺栓結構緊固，當在各個螺栓上施加扭矩時，電堆各個組件被夾緊。由于PEMFC電堆中各組件間的裝配關系主要是接觸裝配關系，本文的電堆模型中定義了兩種接觸關系：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系。對于端板與單極板、單（雙）極板與MEA之間的接觸關系，通過建立經典接觸對方法，模擬它們之間的接觸關系。

▲圖3 電堆整體網格劃分

▲圖2 MEA網格劃分

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電堆的裝配進行仿真模擬。方式一：直接用4套螺栓和螺母對端板上的4個沉頭孔加載，使端板夾緊電堆；方式二：對端板整個表面加載而壓緊電堆。分別對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 結果分析

選取中間的MEA和密封墊圈進行分析。如圖4為采用第一種加載方式時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，對應的MEA和密封墊圈的最大和最小變形量。

結合圖4和表2可以得出，當使用第一種加載方式，施加的載荷為1.0～1.5 MPa時，MEA的變形比較均勻，能看到MEA上有明顯的極板流道對它的壓痕，且MEA整體變形量適中，說明此時能保證MEA與雙極板接觸良好又不至于損壞MEA，此時電堆性能達到最佳。而施加的載荷過小，如0.5 MPa時，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，MEA變形量過大，降低電堆性能，甚至可能會損壞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

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

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，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電堆的密封性也能得到保證，說明此時加載的載荷能使電池性能達到最優(yōu)；采用第二種加載方式，載荷為0.5～1.0 MPa時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，此時加載的載荷能使電池性能達到最優(yōu)。

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

3 結束語

▲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電堆性能有很重要的影響，通過建立燃料電池三級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計提供一定的指導。

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