质子交换膜燃料电池绑带式装配建模分析

质子交换膜燃料电池绑带式装配建模分析
摘要：绑带装配的质子交换膜燃料电池（PEMFC）较传统的螺杆式装配具有结构紧凑、功率密度高的特点。

电池中膜电极（MEA）与极板接触压力对电池的性能至关重要。

本文运用ABAQUS软件建立绑带型PEMFC的3维有限元模型，研究了绑带数量、厚度、分布以及端板圆角半径对MEA接触压力的影响规律。

研究表明，对于车用440mm×135mm规格的金属极板电池，4根和5根绑带的MEA接触压力均匀性较好；端板圆角半径增大，MEA接触压力均匀性略有降低；绑带位置分布越不均匀，MEA接触压力均匀性越差。

由于面临全球能源危机和环境问题，目前欧美及日韩国家争相促进氢燃料电池汽车的量产化[1]。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为1种高效的能源转化装置，具有启动速度快、能量转换率高、零排放等优点[2]。

其主要结构包括：多层的极板和膜电极（MEA）、两端的端板、绝缘板、集流板（如图1所示）。

MEA与极板接触压力不足，容易造成MEA与极板之间接触电阻增大、性能下降[3]及气体泄漏[4]；接触压力过大，则会使MEA过度挤压，降低孔隙率，阻塞气体流动和水分迁移[5]，甚至可能造成MEA的损坏[6]。

为了提高接触压力均匀性，Lin P等[7]建立了电堆的等效刚度模型，并获得了最佳夹紧荷载。

Yu H N等[8]设计了端板内表面预变形使得施加压力后变为一个近似平面，以期获得均匀封装压力。

Montanini Ｒ等[3]提出了测量接触压力分布与螺栓扭矩、端板变形之间关系的方法。

Carral C等[9]基于有限元模型的结果，在电堆端面采用柔性材料层对装配力进行重分配，来改善MEA接触压力的均匀性。

Chien C H等[10]比较了螺栓预紧力与气体扩散层导电率、孔隙率之间的关系。

上述研究大多适用于螺杆式装配方式，这种装配方式效率低，工艺控制复杂，难以适用于高比功率密度金属极板燃料电池的大规模装配。

绑带式装配作为近年来新提出的PEMFC装配方式，如图1所示，可以使燃料电池结构更加紧凑，从而提高其体积功率密度和质量功率密度。

为此，本文开展了绑带式装配的MEA接触压力大小及分布研究，分析绑带式装配的工艺参数包括绑带数量、绑带厚度、端板在绑带处的圆角半径、绑带位置分布等对MEA与极板接触压力及其分布的影响规律。

1研究方法
本文建立了车用金属极板燃料电池绑带装配的3维有限元模型，电池的装配压力由绑带预紧力提供，为分析比较不同绑带装配的工艺参数对MEA接触压力的影响，各模型中的装配压力保持一致。

MEA与金属极板接触压力分布是影响电池性能的重要因素，故本文主要对MEA与金属极板接触压力分布情况进行分析。

为分析MEA与金属极板接触压力分布情况，本文采用统计学方法中的均值和标准差对MEA与金属极板接触压力进行分析。

均值和标准差计算如下：
2有限元建模
2.1材料参数
由于结构的对称性，本文取PEMFC结构的1/4建立有限元模型，包括端
板、绝缘板、集流板、金属极板、MEA。

本文主要研究MEA与金属极板接触压力分布，为了减小计算规模，将金属极板简化为1块平板。

MEA包括质子交换膜（PEM）和气体扩散层（GDL），由于PEM厚度远远小于GDL，本模型中MEA简化为1个部件，材料特性由GDL确定[11]。

当不需要对电池内部结构进行精细分析时，上述的简化是可以保证电池整体特性分析精度的。

模型中PEMFC各组件的材料参数及几何尺寸见表1所示。

网格划分如图2所示。

模型中除端板外均采用C3D8Ｒ六面体单元。

该单元的优点是位移求解结果精确，即使网格扭曲变形时，分析精度都不会受太大影响，不容易发生剪切自锁现象[12]。

端板采用四面体实体单元。

2.2边界条件及加载
本文建立的有限元模型为1/4模型，故在其边界条件上施加对称边界条件，边界条件及荷载施加如图2（a）所示。

PEMFC电池各组件间的装配关系为接触装配关系，各接触关系中摩擦系数均为0.1。

电池总装配力为30000N。

3装配实验验证
3.1实验方法及步骤
为了验证所建立仿真模型的正确性，进行相应的装配实验，实验组件组装与仿真模型保持一致，包括端板、绝缘板、集流板、金属极板和MEA。

装
配实验为4根绑带，实验和仿真模型采用相同的装配工艺参数和装配压力。

为了获得实验中MEA接触压力分布，采用富士压力敏感纸测量MEA与金属极板接触压力分布。

压力敏感纸由两个胶片组成，一个胶片上具有许多微胶囊，施压时，胶囊破裂，里面的生色物质被释放到另一个胶片上，该胶片便会出现红色区，色彩的浓度与施加的压力大小存在着对应关系。

压力敏感纸被放置于MEA与金属极板之间，装配完成后，保压一段时间，然后取出观察压力敏感纸上红色区域的分布。

实验装置、压力敏感纸位置分别如图3、图4所示。

实验步骤如图5所示。

3.2实验结果分析
图6显示了装配实验中装配力为10N·m时的MEA核心区域接触压力分布的压力敏感纸发色图，从整体分布上看，4根绑带的MEA接触压力分布较为均匀。

进一步地，将实验获得的压力敏感纸发色图扫描到电脑存为图片，用Matlab编程将其转化为灰度图片，然后与标准发色图的灰度值进行对比，得到压力敏感纸发色图片上每个像素点的接触压力值。

将实验得到的MEA接触压力进行均值统计并与仿真模型数值结果进行对比，如图7所示。

在装配力分别为6N·m、8N·m、10N·m时，实验结果的MEA接触压力分布均值与仿真模型数值结果误差均＜10%，验证了文中所建模型的正确性。

4结果与讨论
4.1绑带数量
如图2（a）所示，由于从端板边缘起算的距离B范围内有气口，绑带从距离端板边缘B开始布置。

在绑带总宽度不变的情况下，分别计算绑带数量为3根～8根时MEA与金属极板1接触压力分布。

以4根和8根绑带为例，
其接触压力如图8所示。

从图8可以看出，8根绑带的MEA与金属极板1接触压力数值差异较大；在反应区域内，8根绑带的MEA与金属极板1接触压力沿Y向的变化率较大。

在端板下表面（即与电池组件接触的面）建立路径1，截取端板下表面在MEA反应区域的范围，如图9所示，得到该范围的端板在路径1上与电池组件接触压力均值，同时计算MEA与金属极板1接触压力均值，将两者共同绘制于图10（a）中。

从图10（a）可以看出，MEA与金属极板1在反应区域内接触压力均值变化趋势和在MEA反应区域范围的端板下表面在路径1上与电池组件接触压力均值变化趋势一致。

当3根绑带时，压力均值较小，随着绑带数量的增加，压力均值逐渐增加，但均值间的差别越来越小。

由此可知，在绑带总宽度不变的情况下，绑带数量的改变会影响端板在MEA反应区域的范围与电池组件接触压力大小，由于端板压缩电池组件，使得MEA反应区域接触压力大小也会发生相应变化。

为进一步分析MEA与金属极板1接触压力分布，计算MEA与金属极板1接触压力标准差和端板下表面Z方向（电池压缩方向）位移标准差，将两者共同绘制于图10（b）中。

从图10（b）中可以看出，绑带数量的变化对MEA 与金属极板1接触压力标准差有较大影响，标准差随绑带数量的增加呈先减小后增大的趋势，其中当绑带数量为4根和5根时，标准差较小，此时MEA 与金属极板1接触压力分布较均匀。

端板下表面位移标准差随绑带数量的变化呈现相同的趋势。

由此可知，端板变形的不均匀性影响着MEA与金属极板1接触压力的不均匀性。

当绑带数量发生改变时，端板变形分布随之发生改变，而端板通过压缩电池组件，使得电池组件如金属极板变形分布发生相应变化，进而使得与金属极板接触的MEA接触压力分布也发生改变。

4.2绑带厚度
以5根绑带装配方式为例，如图2（b）所示，当改变绑带厚度H时，计算不同绑带厚度的MEA与金属极板1接触压力分布，计算结果见表2所示。

从表2可以看出，在反应区域，MEA与金属极板1接触压力均值和标准差差别不大。

这是因为在绑带厚度变化过程中，绑带的刚度相对端板来说很小，绑带的变形不足以引起端板较大的变形差异。

可见，考虑工程实际的绑带厚度的改变不会显著影响MEA与金属极板反应区域接触压力均值及接触压力分布的均匀性。

4.3端板圆角半径
仍以5根绑带装配方式为例，如图2（b）所示，当改变端板圆角半径Ｒ
时，计算不同端板圆角半径的MEA与金属极板1接触压力分布和端板下表面位移分布，计算结果见表3所示。

从表3可以看出，在反应区域，MEA与金属极板1接触压力均值差别不大。

说明端板圆角半径的改变不会显著影响MEA与金属极板反应区域接触压力均值。

同样从表3可以看出，不同端板圆角半径对MEA与金属极板1接触压力标准差略有影响，总体来说标准差随端板圆角半径的增大而略有增大，当Ｒ=20mm和Ｒ=25mm时，在反应区域压力标准差差别不大。

端板下表面位移标准差也随着端板圆角半径的增加而略有增大。

由此可知，端板变形的不均匀性影响着MEA与金属极板1接触压力的不均匀性。

当端板圆角半径发生改变时，端板变形分布也随之发生改变，而端板通过压缩电池组件，使得电池组件如金属极板变形分布发生相应变化，进而使得与金属极板接触的MEA 接触压力分布也发生改变。

4.4绑带位置分布
以5根绑带装配方式为例，如图2（a）所示，以本文的模型，B=53mm、W=24mm。

L1、L2反映绑带位置分布情况，满足关系式：2L1+2L2=217mm。

当改变L1、L2时，计算MEA与金属极板1接触压力分布，以L2/L1=1根和
L2/L1=1/4为例，其接触压力如图11所示。

从图11可以看出，L2/L1=1的MEA与金属极板1接触压力变化程度要小于L2/L1=1/4。

计算MEA与金属极板1接触压力均值，如图12（a）所示。

同样在端板下表面建立路径1，截取端板下表面在MEA反应区域的范围（见图9），得到该范围的端板在路径1上与电池组件接触压力均值，并绘制于图12（a）中。

从图12（a）可以看出，MEA与金属极板1在反应区域内接触压力均值变化趋势和在MEA反应区域范围的端板下表面在路径1上与电池组件接触压力均值变化趋势一致。

当L2/L1=4时，压力均值较小，随着L2/L1的减小，压力均值逐渐增大，当L2/L1=1/3和L2/L1=1/4时，压力均值差别不大。

由此可知，绑带位置的分布会影响端板在MEA反应区域范围内与电池组件接触压力大小，由于端板压缩电池组件，使得MEA反应区域接触压力大小也会发生相应变化。

为进一步分析MEA与金属极板1接触压力分布，计算MEA与金属极板1接触压力标准差和端板下表面Z方向（电池压缩方向）位移标准差，将两者共同绘制于图12（b）中。

从图12（b）可以看出，绑带位置分布对MEA与金属极板1接触压力标准差有较大影响，随着L2/L1由大到小的变化，MEA 与金属极板1接触压力标准差先减小后增大，当L2/L1=1时，标准差最小，
此时MEA与金属极板接触压力分布最均匀。

端板下表面位移标准差同样随绑带位置分布L2/L1由大到小的变化，呈先减小后增大的趋势，当L2/L1=1时，标准差最小。

由此可知，端板变形的不均匀性影响着MEA与金属极板1接触压力的不均匀性。

当绑带位置分布发生改变时，端板变形分布也随之发生改变，而端板通过压缩电池组件，使得电池组件如金属极板变形分布发生相应变化，进而使得与金属极板接触的MEA接触压力分布也发生改变。

5结论
本文采用有限元方法对质子交换膜燃料电池绑带式装配的工艺参数进
行了分析，研究了不同工艺参数的MEA与金属极板接触压力及其分布，结果表明，对于车用金属燃料电池，绑带数量对MEA与金属极板接触压力大小及其均匀性有显著影响，当采用4根和5根绑带时，可以获得较均匀的接触压力分布；端板圆角半径对MEA与金属极板接触压力均匀性有一定的影响，端板圆角增大，MEA与金属极板接触压力均匀性略有降低；此外，绑带位置分布对MEA与金属极板接触压力大小及其均匀性有显著影响，绑带分布越不均匀，MEA与金属极板接触压力均匀性越差。