大型质子交换膜燃料电池优化建模

本文研究质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)中的关键部件密封圈和气体扩散层(Gas Diffusion Layer, GDL)在制造时产生的尺寸公差对其受力影响。通过建立一种弹簧–阻尼模型用于仿真大型电堆的压紧过程。此模型相比于FEM (Finite Element Method)模型，极大提高了计算效率。传统FEM模型计算单片单电池所需的时间通常会超过20分钟，而当电堆层数增加时，计算时间会呈非线性增加，采用此模型计算100层电堆只需要8分钟。计算结果可以显示出每一层电池中的密封圈和GDL的受力大小，根据这些结果，可为电堆的夹紧力设计提供参考。结果表明，随着压缩比增大，密封圈和GDL的受力及力的标准差呈非线性增加，含有公差的部件与标准部件受力的值相差达到28%。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量转化效率，工作温度低，启动速度快，无污染等优点，可以广泛应用在汽车，航空航天，潜艇，发电站等众多领域。由于每片单电池的实际输出电流有限，很难满足人们的实际需求，因此在实际设计时，工程师会根据需要的功率，将若干片单电池串联叠合并用螺栓紧固成电池堆[1] [2] [3] [4] [5]。

过大的封装载荷会过度挤压双极板，MEA，密封垫圈等部件，使得这些重要部件产生过度变形甚至受损。过小的封装载荷会使密封垫圈与双极板接触不够紧密，从而产生气体泄漏现象。可靠的密封性能是电堆稳定运行的必要条件[6] [7] [8]。Khazaee [9]建立不同形状的单流道PEMFC 模型，研究了不同夹紧力对GDL 接触压力分布的影响。

Movahedi [10]等人建立了PEMFC 的三维模型， 研究了不同参数的影响。

结果表明，夹紧力存在一个最佳范围，其范围取决于GDL 的厚度，最佳的夹紧力可以改善电池中的温度分布。Chen 等人[11]不同组装扭矩对气体泄漏率的影响，提出了考虑电化学性能和密封性能的最佳组装扭矩。Huang 等人[12]发现增加夹紧力可以提高电堆的输出功率和稳定性，但超过最佳夹紧力，电堆的输出功率就会下降。由此可见，电堆压缩与电堆的性能有着密不可分的关系。

电堆性能不只表现在功率输出，还关乎于电堆的密封性能。密封性能不足会导致气体和水发生泄漏， 使电堆性能下降或故障[13] [14]。

更严重的情况甚至会让氢气泄漏产生爆炸[15]。

Huang 等人[16]提出一种泄漏机制模型用于评估密封件的长期泄漏率。Zhang 等人[17]研究了PEMFC 在不同的工作温度下的密封性能，发现温度对密封结构的von-Mises 应力有很大的影响，不容忽视。Diankai 等人[18]研究了不同密封材料的力学特性，结果表明，压缩率对密封结构的接触应力有很大的影响，并且SR 相比于EPDM，NBR和FR 有更好的密封性能。

上述结论均由10 层以内的电堆研究得出，属于小型电堆范围。通常一片单电池的输出电压在0.7 V左右，若组成大型电堆需要堆叠上百层单电池。其中双极板具有复杂的特征，这使得仿真大型电堆变得非常困难， 并且会消耗大量的资源和时间。

Lin 等人[19] [20]提出一种大型PEMFC 电堆的高效组装技术， 此技术在保证计算精度的同时极大地减少了计算时间。通过此技术研究了电堆的刚度变化，结果表明， 当电堆中电池的数量增加时，等效刚度以非线性方式降低，并给出了PEMFC 的最佳夹紧力。

众多学者通过研究标准尺寸的密封圈和GDL，从而给出理想接触应力。但未考虑到尺寸公差对部件