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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(guò)氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，具有體積小、能量密度大、噪音低等特點(diǎn)，是新能源技術(shù)研究的熱點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電源、小型固定式發(fā)電站等場(chǎng)合具有較好的應(yīng)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(dú)立進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)輸送流道，為了防止反應(yīng)物泄露，層與層之間需要設(shè)計(jì)相應(yīng)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(xué)反應(yīng)相關(guān)的系統(tǒng)建模，例如水管理、熱管理等，對(duì)于密封結(jié)構(gòu)則缺乏較為詳細(xì)的研究，密封溝槽和密封圈的設(shè)計(jì)往往根據(jù)密封要求進(jìn)行孤立的計(jì)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(jì)算原則的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則，針對(duì)不同情況分別給出了密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，最后使用有限元方法對(duì)燃料電池密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，驗(yàn)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(kuò)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(guò)兩側(cè)的雙極板分別進(jìn)入與之相鄰的擴(kuò)散層，氫氣和氧氣在膜電極相遇后發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水并釋放電能。為了防止工作過(guò)程中氫氣、氧氣以及水泄露，雙極板和擴(kuò)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(kāi)設(shè)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(shí)現(xiàn)可靠密封。實(shí)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(shí)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(kuò)散層、膜電極的電阻效應(yīng)引起，也被稱(chēng)為接觸電阻，其中擴(kuò)散層的電阻起主導(dǎo)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(kuò)散層本身的電阻，層間電阻指擴(kuò)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(wú)論是層間電阻還是層內(nèi)電阻都隨擴(kuò)散層厚度的減小而減小，即封裝力越大，擴(kuò)散層等被擠壓的越薄，接觸電阻越??；同時(shí)，擴(kuò)散層一般為多孔疏松介質(zhì)，當(dāng)其被擠壓而厚度減小時(shí)，孔隙率會(huì)隨之下降，氫氣、氧氣的滲透性減小，影響內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率。因此，對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池而言，存在一個(gè)最優(yōu)封裝力，在此封裝力下擴(kuò)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(shè)計(jì)，保證電池最佳性能的前提下密封結(jié)構(gòu)仍具有較長(zhǎng)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(yīng)力實(shí)現(xiàn)密封的，不同橡膠材料在不同的密封條件下對(duì)變形率有嚴(yán)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(jì)算方法為式1。變形率太小，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力不足以密封壓力介質(zhì)，最終導(dǎo)致泄露；變形率太大則橡膠在壓縮一段時(shí)間后會(huì)逐漸失去彈性，即發(fā)生永久變形，也會(huì)使接觸應(yīng)力下降導(dǎo)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(lèi)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(yīng)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(fù)雜，呈較強(qiáng)的非線(xiàn)性，在解析計(jì)算時(shí)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(yīng)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(mǎn)足關(guān)系式(3)，通常近似認(rèn)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(yàn)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(jì)算公式如式6所示，在進(jìn)行解析計(jì)算時(shí)可以先忽略形狀因素的影響。

Ea=iE

(6)

其中:Ea為表觀(guān)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(jì)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(zhǎng)C，為了使電池和密封圈均工作在最佳狀態(tài)，設(shè)計(jì)密封圈時(shí)需要對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮。假設(shè)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(jì)算，當(dāng)接觸面積大于該值時(shí)，最佳封裝壓力作用下密封圈接觸應(yīng)力小于介質(zhì)最大工作壓力，不能達(dá)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(zhǎng)C，進(jìn)而計(jì)算密封圈直徑D，如式(8)所示。

(7)

(8)

密封圈工作時(shí)的預(yù)壓縮量ε可以根據(jù)式(2)計(jì)算，應(yīng)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(jì)算，由于式(2)是非線(xiàn)性方程，不易求得解析解，需要通過(guò)一定的數(shù)值計(jì)算方法求解預(yù)壓縮量ε。得到ε后根據(jù)橡膠材料的特性進(jìn)一步核算預(yù)壓縮量是否超過(guò)該材料的永久變形壓縮量，如果在許用范圍之內(nèi)則說(shuō)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(huì)發(fā)生永久變形，一段時(shí)間之后密封將失效，此時(shí)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(shè)計(jì)

由于雙極板大都采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yù)壓縮量由式(1)計(jì)算得到，如式(9)所示。最后，在設(shè)計(jì)密封槽寬時(shí)，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(huì)完全充滿(mǎn)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(yàn)證計(jì)算

3.1 燃料電池實(shí)例分析

為了驗(yàn)證以上計(jì)算方法的正確性，對(duì)單個(gè)燃料電池單元進(jìn)行了有限元仿真計(jì)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(jì)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(zhǎng)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(shí)，根據(jù)式2由彈性模量和密封壓力可以計(jì)算密封圈預(yù)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(jì)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(jì)算，根據(jù)橡膠硬度和彈性模量取C1=1.45，C2=0.0165。

對(duì)一個(gè)燃料電池單元進(jìn)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(gè)單元。

圖3 燃料電池典型單元三維模型

圖4 密封圈變形計(jì)算結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

固定燃料電池下方雙極板，對(duì)上方雙極板施加500N封裝力之后，矩形密封圈變形計(jì)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(yīng)力計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，接觸應(yīng)力分布并不均勻，這是因?yàn)槊芊馊蛿U(kuò)散層之間設(shè)置了摩擦接觸副。接觸應(yīng)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(yīng)力約為610kPa，高于設(shè)計(jì)壓力500kPa，可以到達(dá)預(yù)期密封效果，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。二者之間的差值主要是因?yàn)閳A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(yīng)力也較大，而兩側(cè)接觸應(yīng)力逐漸下降，理論計(jì)算是僅假設(shè)密封圈均勻變形，與實(shí)際有一定偏差。

圖5 密封圈接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6為密封圈剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，密封圈剪切應(yīng)力呈對(duì)稱(chēng)分布，變形過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生較大的扭曲，剪切應(yīng)力最大值約511kPa，遠(yuǎn)小于該硬度橡膠許用剪切應(yīng)力7.1MPa。

圖6 密封圈剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算結(jié)果表明，燃料電池密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以保證電池在最佳封裝力下實(shí)現(xiàn)理想的密封效果，基于該方法設(shè)計(jì)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(shí)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(xiàn)性較強(qiáng)，利用理論方法計(jì)算的密封圈接觸應(yīng)力與仿真值存在一定差距。

4 結(jié) 論

針對(duì)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(shè)計(jì)方法，利用該方法設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

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