1、第 53 卷 第 2 期2023 年 4 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.2Apr.,2023作者简介:杨天宇(2000-),男,宁夏人,上海交通大学机械与动力工程学院硕士生,研究方向:燃料电池装配分析;邱殿凯(1986-),男,河北人,上海交通大学机械与动力工程学院副教授,博士生导师,研究方向:燃料电池多尺度建模与仿真、新能源电池制造及诊断等,通信作者;黄福享(1990-),男,河南人,上海交通大学机械与动力工程学院博士生,研究方向:燃料电池水气传输研究;彭林法(1977-),男,江苏人,上海交通大学机械与动力工程学院研究员,博士生导师,研究方向:微/介观尺度建模
2、、微细成形与新能源装备制造等。基金项目:国家自然科学基金面上项目(52075322)DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.02.005大功率 PEMFC 装配建模及应力状态分析杨天宇,邱殿凯,黄福享,彭林法(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)摘要:大功率质子交换膜燃料电池(PEMFC)由数百个部件层叠装配而成,特征尺度跨度大、接触界面多,难以高效准确预测内部应力分布状态。提出大功率 PEMFC 电堆装配等效模型,通过交替堆叠 10 只电池等效体和全尺寸单体电池,实现超400 只电堆反应区和密封区应力分布的高效计算。与实验相比,等效模型的预测误差为 5.1
3、7%。等效模型计算发现,受端板变形的影响,靠近端板的单体电池内部接触压力均匀性较差;当靠近堆心时,单体电池接触压力均匀性提升,反应区压力变大,密封区压力变小。增加端板弹性模量和流道脊槽比,可提升单体电池内部压力均匀性及电池间的应力一致性。关键词:大功率质子交换膜燃料电池(PEMFC);超弹性材料;微结构等效;密封面接触压强;应力状态中图分类号:TM911.42 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)02-0141-05Assembly modeling and stress state analysis of high-power PEMFCYANG Tian-yu,QIU
4、Dian-kai,HUANG Fu-xiang,PENG Lin-fa(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract:High-power proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)was assembled by stacking hundreds of components,with large characteristic scale spans and many contact interfaces,the
5、 internal stress distribution state was difficult to efficiently and accurately predict.A high-power PEMFC stack assembly equivalent model was proposed,which realized the efficient calculation of the stress distribution in reaction area and sealing area of a super 400-cell stack by alternately stack
6、ing ten-cell equivalents and full-size single cells.Compared with the experiment,the prediction error of the equivalent model was 5.17%.Through the calculation of the equivalent model,it was found that due to the deformation of the end plate,the internal contact pressure uniformity of the single cel
7、l close to the end plate was poor;when it was close to the core,the contact stress uniformity of the single cell was improved,the total force in the reaction area became larger,the total force in the sealing area became smaller.Increasing elastic modulus of the end plate and rib-channel ratio of the
8、 flow channel could improve the internal pressure uniformity of the single cell and the stress consistency between the cells.Key words:high-power proton exchange membrane fuel cell(PEMFC);hyperelastic material;microstructure equivalent;sealing surface contact pressure;stress state 为满足功率和电压的需求,大功率质子交
9、换膜燃料电池(PEMFC)电堆通常由数百只单体电池堆叠组装,通过端板夹紧。单体电池性能的一致性对电堆的稳定运行和工作效率很重要。电池界面接触压力是影响单体电池性能的重要因素1,研究电堆中单体电池界面接触压力分布状态,对于优化电堆装配工艺,提高单体电池性能一致性具有重要意义。电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷预测电堆内部接触压力变化,目前普遍采用的方法是构建燃料电池电堆装配模型。D.K.Qiu 等2建立考虑复杂的反应区流道特征的二维模型,探究流道尺寸误差对气体扩散层(GDL)接触压力的影响。S.J.Lee 等3建立单只电池装配模型,获得应力分布状态,实验验证发现,GDL 压力分布
10、的误差为 10%60%。Z.H.Zhou 等4用复合材料模型提高计算效率,分析电堆中不同位置 GDL 表面压力分布的均匀性,在15%的压缩率下,80 只电堆反应区压力标准差为 0.002,20只电堆为 0.006。肖文灵5建立考虑密封区的 10 只电堆模型,分析不同电池表面接触压力的变化,密封区平均接触压强从 0.23 MPa 降至 0.21 MPa,但全尺寸电堆的建模使计算能力受限,无法解决数百只以上电堆的应力计算问题。针对大功率燃料电池电堆内部应力状态难以准确获取的问题,本文作者建立考虑反应区和密封区的电堆装配模型,通过对电堆复杂特征进行等效简化,建立“十只一体”等效模型,完成超 400
11、只电堆装配快速计算,分析电堆内部应力分布的影响规律,为大功率电堆装配优化提供分析基础。1 研究方法1.1 双极板特征等效方法在 PEMFC 中,双极板(BPP)的特征复杂,使得极板的网格数量庞大,提高了模型计算难度,限制了大功率模型的计算。为提升计算效率,对微结构特征进行简化,使模型具有与原极板相同的力学性能。等效模型的材料参数可由代表体元法6获得。由式(1)可获得等效单元的材料参数。Eii=Fi LSi Lij=H LH LGij=Fi H LSi(H L+H L)(1)式(1)中:i、j 可分别代表坐标轴 3 个方向中的任意两个方向;E 为沿某个方向的弹性模量;为沿某个方向的泊松比;G 为
12、沿某个方向的剪切模量;S 为面积;F 为施加作用力;L 为代表体元的长;L 为代表体元长度方向形变量;H 为代表体元的高;H 为代表体元高度方向的形变量。将双极板假设为正交各向异性材料,刚度矩阵可由 9 个工程常数描述。以金属双极板为研究对象,依据双极板特征结构的差异进行区域划分,获得不同特征单元的 3 组弹性模量 Ex、Ey和 Ez(x、y 及 z 分别代表坐标轴的 3 个方向),3 组泊松比 xy、xz和 yz,以及 3 组剪切模量 Gxy、Gxz和 Gyz,从而建立极板反应区和分配区的等效单元。1.2 密封元件材料本构模型硅橡胶因具有良好的耐酸性、温度稳定性等特征,被广泛用作燃料电池的密
13、封材料。硅橡胶作为一种超弹性材料,力学性能通常具有以下 3 个特点:不可压缩性;大变形特性;材料非线性。为了使电堆模型能够更准确地预测内部的应力状态,必须建立密封材料力学性能的描述方法。超弹性材料的本构特性取决于材料的应变能函数(W)7:W=W(I1,I2,I3)I1=21+22+23I2=2122+2223+2123I3=212223i=1+i(2)式(2)中:I1、I2和 I3为应变不变量,对于不可压缩材料,I3=1;1、2和 3为主伸长率;i为主应变。P.Steinmann 等8对比了 Mooney-Rivlin 模型、Yeoh 模型、Odgen 模型在不同的材料实验下的模型精度,发现
14、Odgen三阶模型适合描述不同应力范围的材料力学行为。以 Odgen三阶模型作为密封件材料模型,应变能函数见式(3)。W=Nk=1kk(k1+k2+k3-3)(3)式(3)中:k和 k为材料常数;N 为多项式阶数;k 为模型阶数。对密封材料进行拉伸实验,试样厚度为 0.5 mm,拉伸速率为 2 mm/min。用 Instron 5966 高温材料试验机(美国产)进行单轴拉伸实验,如图 1(a)所示;用 QX-W300 双轴拉伸试验机(上海产)进行等双轴拉伸实验,如图 1(b)所示。图 1 密封材料参数实验Fig.1 Seal material parameter experiment通过密封材
15、料拉伸应力-应变数据,预测出 Odgen 三阶模型参数为:1=2.230 0,2=1.193 8,3=0.493 8,1=2.538 5,2=2.825 5,3=0.659 5。对比实验与仿真中单轴拉伸应力-应变曲线,如图 2 所示。图 2 密封材料拉伸性能实验与仿真对比Fig.2 Experiment and simulation comparison of tensile proper-ties of seal material241第 2 期杨天宇,等:大功率 PEMFC 装配建模及应力状态分析从图 2 可知,Odgen 三阶模型对电堆中的密封材料具有较好的预测效果。2 电堆等效模型的建
16、立2.1 有限元模型假设用 ABAQUS6.14 软件建立电堆装配有限元模型,电堆由10 只螺栓固紧。由于电堆具有对称性,采用电堆的 1/4 模型进行简化,并假设:因集流板对电堆应力状态影响小,忽略集流板部件;通过在螺栓接合面施加位移来压缩电堆;端板材料所用铝合金为线弹性材料;膜电极的压缩特性主要考虑GDL,原因是 GDL 厚度占膜电极主要部分,且为多孔碳纤维材料,应变大于其他组件。该方法已有研究采用9。2.2 电堆等效模型针对包含 400 只以上电池的大功率电堆,提出一种“十只一体”的等效方法,简化计算难度。电堆等效模型见图 3。图 3 电堆装配模型Fig.3 Model of stack assembly在端板表面交替堆叠部件 A、B,其中部件 A 为十只单体电池的等效体,包含阴极板、反应区等效体、密封区等效体及阳极板,部件 B 包含阳极密封件、膜电极及阴极密封件。在等效模型中,部件 A 代替十只单体电池传递装配力,部件 B代表电堆中不同位置单体电池,由部件 B 中密封件与 GDL压力分布,分析大功率电堆内部应力状态分布的变化。2.3 边界和材料属性电堆的压缩位移量为 GDL 厚度
