張智明 胡淞 李昆朋 張?jiān)棋? 楊代軍

摘 要：針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池密封膠接觸壓力分布均勻性的問(wèn)題，采用Fujifilm公司的壓力膜測(cè)試了4個(gè)單電池片數(shù)不同的電堆的密封膠接觸壓力分布，利用MATLAB中搭建的平臺(tái)對(duì)測(cè)試結(jié)果可視化；并基于MooneyRivilin超彈性材料本構(gòu)模型建立了密封膠平面和電堆截面的有限元模型；利用有限元模型，設(shè)計(jì)了帶圓弧和圓環(huán)的密封膠平面結(jié)構(gòu)參數(shù)；并給出了沿集成力方向利于接觸壓力均勻分布的不同層密封膠初始厚度修正值的計(jì)算方法.結(jié)果表明：?jiǎn)坞姵仄矫鎯?nèi)密封膠接觸壓力的最大差值為1.2 MPa；沿集成力方向，靠近端板處的密封膠接觸壓力較中間層數(shù)的大，且層數(shù)越多的電堆，處于同一層數(shù)的雙極板與密封膠的接觸壓力越小；在接觸面積一樣時(shí)，加圓弧結(jié)構(gòu)的密封膠在平面內(nèi)的接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差比原來(lái)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)差小41%，加圓環(huán)的比原來(lái)結(jié)構(gòu)小30%；對(duì)于不同層數(shù)電堆，密封膠初始厚度修正后的接觸壓力值均在最佳值附近.

關(guān)鍵詞：燃料電池；密封膠；均勻性；超彈性模型；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Aiming at improving the uniformity of sealant′s contact pressure distribution for the proton exchange membrane fuel cells， the contact pressure distribution in the four stacks with different layers was tested using a Fujifilm pressure membrane. The test results were visualized by using the platform built in Matlab. Based on the MooneyRivilin superelastic material constitutive model， finite element models of the sealant plane and the stack cross section were established， which were used to design the sealant structure with arcs and rings. Equations for correcting the initial sealant thickness were given in which the uniformity of contact pressure along the integrated force was improved. The results show that the maximum difference in the contact pressure of the sealant in the plane is 1.2 MPa. Along the integrated force， the contact pressure near the end plate is greater than that in the intermediate layers and the more layer results in the lower contact pressure at the same layer. When the contact area is the same， the standard deviation of sealant pressure in plane with the arc structure is 41% less than that of the original structure， and the ring is 30% less than the original structure. For different layers of the stack， the contact pressure after correcting the initial thickness of the sealant maintains around the best. This study can provide a kind of sealing structure that maintains the consistent performance in the fuel cell stack.

Key words：fuel cell；sealants；uniformity；superelastic model；structural design

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)已經(jīng)取得重大進(jìn)步，但是質(zhì)子交換膜電池的性能、成本、耐久性仍是制約其商業(yè)化的關(guān)鍵因素.在燃料電池性能方面，集成力對(duì)燃料電池各部件的影響仍是制約整堆性能提高的重要方面.作為集成力在電堆內(nèi)部最主要的承力和傳力部件，密封膠的接觸壓力分布主要影響燃料電池的氣密性，并進(jìn)一步影響燃料電池的電化學(xué)性能[1-2].

目前，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)門(mén)針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池密封膠的接觸壓力研究還很少，但在普通密封膠圈的有限元仿真及電堆內(nèi)部接觸壓力分布兩方面有一定的進(jìn)展.張智明等[3]通過(guò)有限元方法分析了影響密封膠密封性能的影響因素.陳占清等人[4]利用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì) O 形橡膠密封圈在不同壓縮率下的接觸壓力分布進(jìn)行分析；韓傳軍等[5]則利用Abaqus分析初始?jí)嚎s率對(duì)矩形橡膠密封圈變形、接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力的影響，并對(duì)密封圈形狀做了圓角優(yōu)化.夏衛(wèi)明等[6]從高階低階單元的應(yīng)用、網(wǎng)格密度、接觸剛度及接觸算法、載荷步與載荷子步幾個(gè)方面對(duì)密封膠非線(xiàn)性計(jì)算收斂性問(wèn)題進(jìn)行了討論.

Banerjee等人[7]用實(shí)驗(yàn)的方式研究螺栓力矩及擴(kuò)散層材質(zhì)對(duì)燃料電池性能的影響時(shí)，提到了密封膠墊對(duì)接觸壓力的分布有影響，但沒(méi)通過(guò)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.Ismail等人[8]研究了在集成力下，密封膠壓縮率對(duì)氣體擴(kuò)散層（GDL）力學(xué)行為的影響.Bates等人[9]對(duì)一個(gè)含16個(gè)單電池的電堆仿真時(shí)，得到靠近端板的單電池及最中間的單電池各部件的最大壓力，結(jié)果表明密封膠墊是除端板外承受壓力最大的部件.Millichamp等人[10]指出密封膠厚度和壓縮率對(duì)GDL區(qū)域壓力的分布有重要影響.楊全勇等人[11]研究了一個(gè)單電池在不同密封膠厚度下，雙極板和GDL的接觸情況以及極化曲線(xiàn).

為研究質(zhì)子交換膜燃料電池密封膠接觸壓力的均勻性，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元仿真的方法分別得到包含50片、70片、90片、110片單電池的4個(gè)電堆在集成力下內(nèi)部的壓力分布狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)了密封膠在單電池平面以及沿集成力方向存在壓力分布不一致的現(xiàn)象，并對(duì)密封膠的平面結(jié)構(gòu)和厚度進(jìn)行改善設(shè)計(jì)；改善密封膠壓力分布的均勻性，從而提高膜電極和雙極板之間接觸壓力均勻性.

1 密封膠接觸壓力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

通過(guò)壓力膜試驗(yàn)可對(duì)燃料電池電堆在集成力下各部件壓力分布展開(kāi)研究.為了研究密封膠在集成力下的接觸壓力分布規(guī)律，本節(jié)對(duì)不同層數(shù)（50層、70層、90層、110層）電堆進(jìn)行了壓力膜試驗(yàn).

由于每個(gè)電堆包含的單電池比較多，且有研究表明[12]：靠近端板的單電池接觸壓力大，中間位置的單電池接觸壓力小，故本試驗(yàn)的壓力膜在4個(gè)電堆中的放置位置分布如下：50層電堆在電堆第1、2、4、9、16、25層布置壓力膜，70層電堆在此基礎(chǔ)上增加第35層布置壓力膜，以此類(lèi)推，每隔10層布置壓力膜.

1.2 壓力膜接觸壓力量化處理方法

根據(jù)Fujifilm公司提供的壓力膜溫濕度特性以及顏色密度與壓強(qiáng)值對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)，可知LLW壓力膜的測(cè)量范圍為0.5～2.5 MPa，溫度允許區(qū)間為0～40 ℃.在得到密封膠的試驗(yàn)圖片后，需將圖片中紅色密度的高低轉(zhuǎn)換成壓強(qiáng)值，從而可以得出量化的試驗(yàn)結(jié)果，本文中顏色密度與壓力轉(zhuǎn)換的過(guò)程如圖1所示.

在MATLAB中可編程實(shí)現(xiàn)顏色密度與壓力的轉(zhuǎn)換，并編寫(xiě)程序設(shè)計(jì)出可視化平臺(tái)，如圖2所示.根據(jù)該可視平臺(tái)可快速得到密封膠平面的壓力分布值.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3中顯示的是4個(gè)電堆第2層密封膠平面受壓后的壓力膜結(jié)果，其他層結(jié)果類(lèi)似.圖3（a）（c）（e）（g）是由試驗(yàn)直接得到的密封膠受壓后壓力膜的圖像，圖3（b）（d）（f）（h）是經(jīng)可視化平臺(tái)轉(zhuǎn)換過(guò)的密封膠壓力分布圖.

由圖3（b）（d）（f）（h）可知，在裝配力作用下，密封膠平面內(nèi)接觸壓力平均值和最大值相差較大，最大差值為1.2 MPa；說(shuō)明密封膠接觸壓力存在不一致分布，在螺栓緊固的位置以及密封膠拐角處均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖3只是針對(duì)不同電堆第2層密封膠接觸壓力在單電池平面上的分布.根據(jù)壓力膜量化處理方法，可統(tǒng)計(jì)不同電堆不同層數(shù)的密封膠的平均接觸壓力，從而得到不同節(jié)電池電堆內(nèi)密封膠的接觸壓力分布規(guī)律，如圖4所示.

由圖4可以看出密封膠的接觸壓力在集成力方向上存在不一致現(xiàn)象.對(duì)于同一電堆來(lái)說(shuō)，隨著節(jié)電池層數(shù)的增加，雙極板與密封膠間接觸壓力略有下降，靠近端板處的密封膠接觸壓力比較大.這是由于螺栓裝配力造成端板變形，從而增大電堆靠近端板處的密封膠接觸壓力.

從圖4還可看出，對(duì)于包含不同層數(shù)的電堆，層數(shù)越多的電堆，處于同一層數(shù)的雙極板與密封膠的接觸壓力越??；這是由于單電池片數(shù)越多，整堆的等效剛度越大，密封膠與雙極板總的接觸面積也增加，在同樣的外部載荷下密封膠的變形和應(yīng)力都會(huì)變小.

2 密封膠接觸壓力有限元仿真

實(shí)驗(yàn)中電堆層數(shù)較多，若采用三維有限元模型，則網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，不利于后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì).因此對(duì)電堆結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立二維電堆模型，將得到的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較，從而驗(yàn)證簡(jiǎn)化有限元模型的有效性，便于后續(xù)的優(yōu)化.

2.1 密封膠模型及材料特性

由于采用的密封膠是硅橡膠，材料屬性是超彈性的，密封膠的拉伸曲線(xiàn)如圖5所示.MooneyRivlin模型幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學(xué)行為，適合于中小變形，一般適用于應(yīng)變約100% （拉伸）和30%（壓縮）的情況；常用的MooneyRivlin模型有2、3、5及9參數(shù)模型，且較多參數(shù)的模型對(duì)于較大應(yīng)變的求解，可得到較好的近似[13].文中密封膠的壓縮率為20%，所以考慮用2或3參數(shù)的MooneyRivlin模型，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能函數(shù)如下.

2.2 單電池全尺寸密封膠接觸壓力分布

建立密封膠在單電池平面內(nèi)的全尺寸密封膠有限元模型來(lái)分析燃料電池雙極板和密封膠之間的接觸壓力分布情況.由于研究針對(duì)密封膠受力分析，可忽略雙極板脊背對(duì)密封膠接觸壓力分布的影響，故雙極板模型簡(jiǎn)化為平板，密封膠尺寸為137 mm×245 mm×0.65mm，建立雙極板密封膠幾何模型和網(wǎng)格化后的有限元模型如圖6所示.

與壓力膜試驗(yàn)結(jié)果（圖7（a））對(duì)比，數(shù)值仿真結(jié)果（圖7（b））中應(yīng)力集中的地方是一致的，且應(yīng)力的均值均在1.6 MPa左右，說(shuō)明了該平面全尺寸密封膠模型可以用來(lái)分析密封膠接觸壓力在平面的分布情況.試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得的最大壓力比仿真結(jié)果小是因?yàn)樵囼?yàn)采用的壓力膜量程為0.5～2.5 MPa，但從圖7（b）看出測(cè)試區(qū)域有很小部分超出量程.從圖7（b）中可看出在螺栓緊固式電堆的密封膠平面上，離布置螺栓位置較近的區(qū)域應(yīng)力相對(duì)其他地方更大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中拐角處應(yīng)力集中尤為顯著.

2.3 電堆密封膠接觸壓力分布

建立二維電堆模型來(lái)分析密封膠接觸壓力在集成力方向上的分布情況.為簡(jiǎn)化模型離散化過(guò)程，端板為矩形，雙極板為梯形直流道，密封膠采用半圓形截面.建立電堆的1/4有限元模型如圖8所示，含有15片單電池；由于本文的模型是通過(guò)APDL參數(shù)化建立的，對(duì)于50層、70層、90層、110層電堆通過(guò)修改參數(shù)即可實(shí)現(xiàn).

最終統(tǒng)計(jì)出電堆每一層雙極板和密封膠的平均接觸壓力，得到如圖9所示的結(jié)果.對(duì)比圖9和圖4可發(fā)現(xiàn)，由電堆二維模型得到的沿螺桿集成力方向的密封膠接觸壓力分布情況同試驗(yàn)是一致的；所不同的是在圖4中，處于第1層和最中間層之間的單電池接觸壓力有些波動(dòng)，而圖9中的仿真結(jié)果則比較平穩(wěn)；這是由于仿真能保證每層都是用同一屬性的材質(zhì)和同一厚度的密封膠，而實(shí)際電堆則可能出現(xiàn)微小差異，從而造成壓力分布的波動(dòng).所以用圖8所示的雙極板密封膠模型來(lái)研究密封膠接觸壓力在集成力方向上的接觸壓力是可行的.

3 密封膠接觸壓力均勻性改善方法

3.1 密封膠平面結(jié)構(gòu)改善

為提高密封膠接觸壓力在平面內(nèi)的均勻性，降低試驗(yàn)和數(shù)值仿真中出現(xiàn)的應(yīng)力集中，增大密封膠受力接觸面積，在燃料電池密封膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，對(duì)密封膠應(yīng)力集中處分別加圓弧和圓環(huán)進(jìn)行處理.通過(guò)設(shè)計(jì)圓弧和圓環(huán)的半徑，使得2種方案的接觸面積大小一致.密封膠平面結(jié)構(gòu)改善部分的尺寸如圖10所示，未標(biāo)注尺寸的部分與改善前的保持一致.

為了更直觀地對(duì)比結(jié)構(gòu)改善前后壓力分布的優(yōu)劣，將密封膠根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分為12個(gè)區(qū)域來(lái)評(píng)估密封膠的接觸壓力均勻性.根據(jù)數(shù)值仿真模型分別求出各個(gè)區(qū)域壓力的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖11所示.

由圖11可知，加圓弧和圓環(huán)的密封膠結(jié)構(gòu)都可以改善應(yīng)力集中，使密封膠受力更加均勻.在兩種結(jié)

構(gòu)接觸面積一樣時(shí)，加圓弧的密封膠結(jié)構(gòu)接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差比原來(lái)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)差小41%，加圓環(huán)的密封膠結(jié)構(gòu)接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差比原來(lái)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)差小30%，所以加圓弧的效果優(yōu)于加圓環(huán).

3.2 密封膠初始厚度修正

由于密封膠結(jié)構(gòu)可以改變其在電堆內(nèi)的接觸壓力分布，為使電堆接觸壓力在集成力方向上趨于一致，可以通過(guò)改變每層密封膠初始厚度進(jìn)行匹配.

按上述方法修正密封膠厚度后，對(duì)有限元模型重新進(jìn)行仿真，并統(tǒng)計(jì)不同層數(shù)電堆在各個(gè)接觸面上的平均接觸壓力，得到結(jié)果如圖13所示.從圖13可發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)分模塊修正后的密封膠厚度設(shè)計(jì)更有利于接觸壓力的均勻性分布，且所有層密封膠的接觸壓力值都在1.165 MPa附近.針對(duì)密封膠厚度修正的方法可提高電堆內(nèi)接觸壓力分布均勻性.

4 結(jié) 論

1）PEMFC密封膠受到的接觸壓力在單電池平面存在分布不一致現(xiàn)象，最大差值達(dá)1.2 MPa，并且應(yīng)力集中主要發(fā)生在緊固螺栓區(qū)域附近.

2）在密封膠平面加圓弧或圓環(huán)增大密封膠受力面積的方法，能降低密封膠平面內(nèi)接觸壓力的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且圓弧效果優(yōu)于圓環(huán).

3）沿電堆集成力方向分層設(shè)計(jì)密封膠初始高度，有利于提高整個(gè)電堆密封膠接觸壓力分布的均勻性.

參考文獻(xiàn)

[1] YE D H，ZHAN Z G.A review on the sealing structures of membrane electrode assembly of proton exchange membrane fuel cells[J].Journal of Power Sources，2013，231（13）：285-292.

[2] 葉東浩，詹志剛，汪廣進(jìn)，等.低溫燃料電池用質(zhì)子交換膜的氣體滲透性研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（3）：71-75.

YE D H，ZHAN Z G，WANG G J，et al.Effect on the gas permeation of proten exchange membranee in lowtemperature PEMFCs[J].Journal of Hunan University（Natural Sciences），2013，40（3）：71-75.（In Chinese）

[3] 張智明，張娟楠.PEMFC金屬雙極板密封設(shè)計(jì)的有限元仿真[J].中國(guó)科技論文，2017，12（16）：1895-1901.

ZHANG Z M，ZHANG J N.Finite element method modeling on sealant design of PEMFC metal bipolar plate[J].China Sciencepaper，2017，12（16）：1895-1901.（In Chinese）

[4] 陳占清，詹永麒，朱昌明.壓縮率對(duì)O形橡膠密封圈密封性能的影響[J].流體傳動(dòng)與控制，2007（2）：46-48.

CHEN Z Q，ZHAN Y Q，ZHU C M.Effects of compressive rate on sealing characteristic of Oring[J].Fluid Power Transmission and Control，2007（2）：46-48.（In Chinese）

[5] 韓傳軍，張杰.矩形橡膠密封圈的有限元分析及優(yōu)化[J].橡膠工業(yè)，2013，60（2）： 98-103.

HAN C J，ZHANG J.Finite element analysis and optimization of rectangle rubber seal[J].Rubber Industry，2013，60（2）：98-103.（In Chinese）

[6] 夏衛(wèi)明，駱桂林，嵇寬斌.橡膠結(jié)構(gòu)有限元分析收斂問(wèn)題的對(duì)策[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，85（7）：265-268.

XIA W M，LUO G L，JI K B.Countermeasures of the convergence problems in rubber structures FEA[J].Machinery Design & Manufacture，2013，85（7）：265-268.（In Chinese）

[7] BANERJEE R，HINEBAUGH J，LIU H，et al.Heterogeneous porosity distributions of polymer electrolyte membrane fuel cell gas diffusion layer materials with ribchannel compression[J].International Journal of Hydrogen Energy，2016，41（33）：14885-14896.

[8] ISMAIL M S，HASSANPOUR A，INGHAM D B，et al.On the compressibility of gas diffusion layers in proton exchange membrane fuel cells[J].Fuel Cells，2012，12（3）：391-397.

[9] BATES A，MUKHERJEE S，HWANG S，et al.Simulation and experimental analysis of the clamping pressure distribution in a PEM fuel cell stack[J].International Journal of Hydrogen Energy，2013，38（15）：6481-6493.

[10]MILLICHAMP J，MASON T J，NEVILLE T P，et al.Mechanisms and effects of mechanical compression and dimensional change in polymer electrolyte fuel cells：A review[J].Journal of Power Sources，2015，284（15）： 305-320.

[11]楊全勇，余意，詹志剛.密封層厚度對(duì)國(guó)產(chǎn)材料燃料電池性能影響[J].電池工業(yè)，2011（3）： 172-175.

YANG Q Y，YU Y，ZHAN Z G.Effects of gasket thickness on the performance of PEMFC with domestic materials[J].Chinese Battery Industry，2011（3）：172-175.（In Chinese）

[12]ALIZADEH E，BARZEGARI M M，MOMENIFAR M，et al.Investigation of contact pressure distribution over the active area of PEM fuel cell stack[J].International Journal of Hydrogen Energy，2016，41（4）： 3062-3071.

[13]張慶余，張洪偉，高相勝.ANSYS非線(xiàn)性有限元分析方法及范例應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013：105-111.

ZHANG Q Y，ZHANG H W，GAO X S.Nonlinear finite element analysis method and application by ANSYS[M].Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2013：105-111.（In Chinese）