燃料電池仿生密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真*

席凱凱 葛 鵬 袁亨通

(西部金屬材料股份有限公司 陜西西安 710000)

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、能量密度大和噪聲低等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛[1-7]。近10多年以來(lái)，PEMFC 一直是新能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。電堆是由多個(gè)單電池通過(guò)密封的形式組合構(gòu)成，其密封設(shè)計(jì)直接關(guān)系到燃料電池的安全性、可靠性和耐久性。然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，各單電池的密封件常因設(shè)計(jì)問(wèn)題出現(xiàn)了不同程度的損傷甚至失效，導(dǎo)致電堆產(chǎn)生泄漏，極大地縮短了電池的使用壽命。因此，對(duì)燃料電池密封問(wèn)題的研究顯得尤為重要[8]。電堆的電池的密封性能除了與密封件本身的材料屬性有關(guān)外，還與電堆整體結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是兩密封雙極板接觸面的形狀，會(huì)影響密封面的接觸應(yīng)力分布，進(jìn)而影響電池的密封性能[9]。

通常認(rèn)為，減小界面泄漏的途徑主要有2個(gè)：一是減小內(nèi)外側(cè)壓力差；二是增加泄漏通道的阻力[10]。而針對(duì)某一實(shí)際工況，其環(huán)境內(nèi)外壓差往往是一定的，因此如何有效增加泄漏通道阻力成為研究重點(diǎn)。例如，對(duì)于金屬材料密封，可以通過(guò)壓縮應(yīng)力使金屬密封材料產(chǎn)生一定的變形，從而減小2個(gè)接觸表面之間的間隙來(lái)消除泄漏路徑，增加泄漏阻力[11]；另外，還可以通過(guò)增加密封載荷的方式，利用材料彈塑性性能，使得其某一面的粗糙波峰壓入另一面的粗糙波谷或其他位置內(nèi)，減小泄漏通道的有效高度，增大泄漏阻力，使得泄漏的發(fā)生變得困難[12]。

以往對(duì)燃料電池密封性能的研究主要集中在密封圈上，對(duì)密封雙極板接觸面形狀的研究報(bào)道則相對(duì)較少。為此，本文作者從自然界某些生物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能中得到啟發(fā)，以燃料電池的泄漏率最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)改變?nèi)剂想姵孛芊怆p極板截面的幾何形狀，設(shè)計(jì)了幾種仿生密封雙極板結(jié)構(gòu)來(lái)提高燃料電池的密封性能。最后采用有限元模擬的方法對(duì)設(shè)計(jì)的仿生密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，并與常規(guī)密封雙極板進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證仿生密封結(jié)構(gòu)的有效性。

1 PEMFC的結(jié)構(gòu)與組成

組成PEMFC的基本單元是單電池，由單電池組成電堆，電堆加上其他輔助系統(tǒng)構(gòu)成了PEMFC系統(tǒng)，電堆和單電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。單電池由雙極板、密封件、氣體擴(kuò)散層、催化層及質(zhì)子交換膜組成[9]。雙極板是連接單電池和構(gòu)建電堆的重要組件，主要作用是提供流道、輸送氫氣和氧氣。密封件位于2個(gè)雙極板之間，主要作用是防止反應(yīng)氣體的泄漏，保證密封件正常工作。由于常規(guī)雙極板的接觸面大多為平面結(jié)構(gòu)，兩者的結(jié)合不夠緊密，再加上任何加工制造方法都不可能得到絕對(duì)光滑的理想表面，因而在相互接觸的密封面間總是存在著細(xì)微的間隙或通道，導(dǎo)致泄漏時(shí)常發(fā)生。為此，文中通過(guò)改變雙極板接觸面的幾何形狀，來(lái)改變雙極板之間的接觸應(yīng)力和接觸狀態(tài)，從而達(dá)到密封效果。

圖1 PEMFC電堆的結(jié)構(gòu)示意

2 仿生密封雙極板接觸面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋生物鯊魚是一種大型食肉魚類，它的每一次捕食都會(huì)給獵物造成致命性傷害且獵物很難逃脫，這離不開(kāi)它的牙齒(如圖2所示)。鯊魚的牙齒除了鋒利外，還有一個(gè)突出的特點(diǎn)——通過(guò)上下排牙齒的完美咬合，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的擠壓力(咬合力)，能夠很輕易地咬入獵物的身體甚至咬斷獵物的骨頭，讓獵物難以從鯊魚的嘴里掙脫掉。文中以鯊魚的牙齒作為仿生原型，通過(guò)模仿鯊魚上下排牙齒的緊密咬合方式，將其中蘊(yùn)含的生物學(xué)原理運(yùn)用在燃料電池的雙極板結(jié)構(gòu)上，以期提高雙極板之間的結(jié)合強(qiáng)度來(lái)增強(qiáng)燃料電池的密封性能。

圖2 鯊魚牙齒

將齒形仿生結(jié)構(gòu)布置在密封雙極板相互接觸的區(qū)域，仿生結(jié)構(gòu)的紋理方向垂直于雙極板的棱邊方向，規(guī)則等間距排列(下同)。齒形仿生密封雙極板模型如圖3所示。

圖3 齒形仿生密封雙極板

扇貝長(zhǎng)期棲息在海邊的沙灘上，如圖4所示，在海邊長(zhǎng)期承受著海風(fēng)和海水的推動(dòng)作用，但是依然能夠穩(wěn)固地攀附在沙灘上，與沙灘之間形成較強(qiáng)的黏結(jié)力。經(jīng)研究這與扇貝體表的某種非光滑結(jié)構(gòu)有關(guān)。吉林大學(xué)榮寶軍[13]利用逆向工程技術(shù)[14-15]對(duì)扇貝的脊進(jìn)行局部特征信息提取，并在相應(yīng)的軟件上進(jìn)行曲線逆合，建立了棱紋形結(jié)構(gòu)模型。為此，文中以扇貝殼作為仿生原型，將其體表的棱紋形非光滑結(jié)構(gòu)運(yùn)用于燃料電池的雙極板，設(shè)計(jì)了一種棱紋形仿生密封雙極板，如圖5所示。

圖4 扇貝

圖5 棱紋形仿生密封雙極板

根據(jù)棱紋形幾何結(jié)構(gòu)特征，提出一種凸包形非光滑結(jié)構(gòu)。生物體表面布有很多向上的凸起，可以把這些凸起看作是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單元體表面，根據(jù)這些單元體表面的結(jié)構(gòu)特征，建立凸包形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型[16-17]：

Z(x，y)=h0≤x2+y2≤(R+r)2

0 其他

式中：R為地面中心到周邊的距離；r為相鄰兩個(gè)單元體之間的距離；h為頂點(diǎn)到地面的距離。

燃料電池雙極板接觸面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用上述凸包形結(jié)構(gòu)的球形單元體結(jié)構(gòu)[13]，上部的雙極板密封面采用凸包形單元體結(jié)構(gòu)，底部的雙極板密封面采用凹坑形單元體結(jié)構(gòu)，兩者通過(guò)鑲嵌的方式結(jié)合在一起，凸包形仿生密封雙極板如圖6所示。

圖6 凸包形仿生密封雙極板

根據(jù)棱紋形非光滑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，再結(jié)合燃料電池雙極板之間的結(jié)合方式，文中引申出一種條柱狀結(jié)構(gòu)，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：條紋的寬B，高H，條紋之間的間距S，第一個(gè)條形柱距端面的距離L。條柱狀雙極板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 條柱狀雙極板

相比常規(guī)燃料電池密封雙極板結(jié)構(gòu)，文中設(shè)計(jì)的仿生密封雙極板具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)上下鑲嵌式的結(jié)合方式增加了雙極板之間的有效接觸面積，提高了雙極板之間的結(jié)合強(qiáng)度，減小了泄漏通道的有效高度，增大了泄漏阻力，使泄漏的發(fā)生變得困難；(2)沿流體流動(dòng)方向可以形成多個(gè)阻斷面和空腔，降低了流體的壓力，能有效阻止流體的溢出。

3 仿生密封雙極板的壓緊試驗(yàn)

在三維軟件SolidWorks中建立以上4種仿生密封雙極板的三維模型，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中，并與常規(guī)密封雙極板(如圖8所示)開(kāi)展仿真對(duì)比分析。

圖8 常規(guī)密封雙極板

3.1 求解

3.1.1 材料參數(shù)及尺寸

雙極板的材料參數(shù)和尺寸見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)和尺寸

3.1.2 接觸設(shè)置

粗糙面間的接觸問(wèn)題屬于非線性問(wèn)題，接觸面分為上下兩個(gè)面，只有當(dāng)上方粗糙面接觸到下方粗糙面時(shí)，力才會(huì)從一面?zhèn)鬟f到另一面，才會(huì)發(fā)生位移或形變。如果沒(méi)有接觸，就不會(huì)發(fā)生上述行為，于是要求在每一時(shí)間步都對(duì)上下面的接觸狀態(tài)進(jìn)行判斷。軟件使用的是主-從接觸算法，需要設(shè)置好主動(dòng)面和從動(dòng)面。文中將上部雙極板接觸面設(shè)置為主動(dòng)面，底部雙極板接觸面設(shè)置為從動(dòng)面，兩者的接觸類型設(shè)置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)取0.25。

3.1.3 載荷設(shè)置

將底部雙極板完全固定，對(duì)上部雙極板施加500 N面載荷。

3.1.4 網(wǎng)格劃分

定義雙極板為四面體單元，單元類型設(shè)置為8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元C3D8R。盡可能細(xì)化網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度。常規(guī)雙極板網(wǎng)格總數(shù)為286 736，齒形雙極板網(wǎng)格總數(shù)為228 996，棱紋形雙極板網(wǎng)格總數(shù)為244 794，條柱狀雙極板網(wǎng)格總數(shù)為229 885，凸包形雙極板網(wǎng)格總數(shù)為320 442。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 雙極板接觸面等效應(yīng)力對(duì)比分析

圖9所示為常規(guī)密封雙極板與4種仿生密封雙極板接觸面的等效應(yīng)力分布云圖?？梢钥吹剑?/p>

圖9 5種密封雙極板接觸面等效應(yīng)力分布云圖(MPa)

(1)上部雙極板接觸面上的等效應(yīng)力與底部雙極板接觸面上的等效應(yīng)力在縱向分布是不對(duì)稱的，應(yīng)力從上部雙極板向底部雙極板進(jìn)行傳遞，且上部雙極板接觸面上的應(yīng)力小于底部雙極板接觸面上的應(yīng)力。兩接觸面上的應(yīng)力差值保證了上部雙極板與底部雙極板的緊密結(jié)合。

(2)常規(guī)密封雙極板接觸應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在上部雙極板的中上部，并沒(méi)有出現(xiàn)在接觸面上，因此不能對(duì)接觸面進(jìn)行緊密壓實(shí)。齒形密封雙極板、棱紋形密封雙極板和條柱狀密封雙極板接觸應(yīng)力的峰值都出現(xiàn)在底部雙極板接觸面的凸峰上，且伴有應(yīng)力集中現(xiàn)象，這樣的應(yīng)力分布可以對(duì)兩接觸面進(jìn)行緊密壓實(shí)：一凸一凹的形狀分布，使得凸峰在集中應(yīng)力作用下緊密壓入凹谷內(nèi)，減小了泄漏通道的有效高度，增大了泄漏阻力，能有效防止泄漏的發(fā)生。凸包形密封雙極板接觸應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在上部雙極板的中上部，并沒(méi)有出現(xiàn)在接觸面上，在載荷方面不能對(duì)兩接觸面進(jìn)行緊密壓實(shí)，但是具有一凸一凹的形狀分布，可減小泄漏通道的有效高度，相比常規(guī)密封雙極板，其密封效果更好。

在滿足SOR要求并保證frame不被破壞的前提下，密封圈壓縮率[18]越大，密封性能越好。棱紋形密封雙極板凸峰上的接觸應(yīng)力值最大，其對(duì)密封圈的壓縮率也就最大，因而密封效果最佳。條柱狀密封雙極板密封效果次之，而常規(guī)密封雙極板密封效果最差。

3.2.2 外部載荷和壓縮率對(duì)接觸應(yīng)力的影響

分別對(duì)以上5種密封雙極板的上部雙極板施加500、1 000、1 500、2 000 N的面載荷，得到雙極板密封面的接觸應(yīng)力隨外部載荷變化的曲線，如圖10所示。

圖10 外部載荷對(duì)雙極板密封面接觸應(yīng)力的影響

壓縮率指截面高度減少值與原始高度的比值[18]。文中采用給模型施加位移載荷的形式模擬壓緊過(guò)程，通過(guò)改變位移載荷的大小從而模擬不同的壓縮率。分別對(duì)以上5種密封雙極板的上部雙極板施加0.2、1、2、3 mm的位移載荷，壓縮率分別為1%、5%、10%和15%，得到雙極板密封面接觸應(yīng)力隨壓縮率變化的曲線，如圖11所示。

圖11 壓縮率對(duì)雙極板密封面接觸應(yīng)力的影響

從圖10和圖11可以看到：隨著施加的外部載荷和壓縮率的增加，雙極板密封面的接觸應(yīng)力也在增大，密封性能相應(yīng)地增強(qiáng)，因此在密封圈不被破壞的前提下，在一定范圍內(nèi)增大外部載荷和壓縮率可有效增強(qiáng)雙極板的密封性能。

4 仿生密封雙極板的流場(chǎng)仿真分析

在三維軟件SolidWorks中建立以上4種仿生密封雙極板及常規(guī)密封雙極板的三維模型，并在雙極板之間留有1 mm的間隙作為流體在雙極板之間的通道。將密封雙極板左側(cè)間隙設(shè)置為流體入口(inlet)，將密封雙極板右側(cè)間隙設(shè)置為流體出口(outlet)，如圖12所示。將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Fluent中，通過(guò)布爾運(yùn)算得到密封雙極板的流域三維模型，即密封雙極板之間的間隙模型。

圖12 密封雙極板間隙示意

4.1 網(wǎng)格劃分

利用Fluent的Mesh模塊，對(duì)流域三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元類型為六面體單元，網(wǎng)格總數(shù)為55 247個(gè)，網(wǎng)格劃分效果如圖13所示。

圖13 網(wǎng)格劃分效果

4.2 邊界條件

仿真過(guò)程中涉及的具體邊界條件見(jiàn)表2。

表2 邊界條件設(shè)置

4.3 數(shù)學(xué)模型

由于氣體的黏性很小，在高壓驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)計(jì)算雷諾數(shù)可知，氣體的流動(dòng)可看作湍流流動(dòng)，并同時(shí)滿足質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程[19]。

質(zhì)量守恒方程為

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；u為速度矢量。

氣體采用均質(zhì)不可壓縮流體模型，忽略氣體的重力體積力及外部體積力，動(dòng)量守恒方程可表示為

4.4 仿真結(jié)果分析

4.4.1 密封雙極板間隙表面壓力分析

圖14所示為5種密封雙極板間隙表面的壓力云圖，流體從左側(cè)間隙流入，從右側(cè)間隙流出。

圖14 五種密封雙極板間隙表面壓力云圖

由圖14可以看到：

(1)流體在入口端的壓力高于出口端，仿生密封雙極板間隙的壓力場(chǎng)梯度并非平直而是凹凸不平的，其密封接觸面間隙內(nèi)流體的流動(dòng)與光滑平行平板間隙內(nèi)的流動(dòng)存在顯著差異。

(2)流體的壓力峰值均出現(xiàn)在入口附近，仿生密封雙極板具有流固耦合密封效應(yīng)，即在密封雙極板之間形成了多個(gè)阻斷面和空腔，流體在經(jīng)過(guò)多個(gè)阻斷面和空腔后，壓差損失顯著，密封上可以借鑒這種方式來(lái)降低流體壓力，從而實(shí)現(xiàn)可靠密封。

由結(jié)構(gòu)力學(xué)的拐角效應(yīng)可知，若流體在入口附近拐角處的壓力越大，則流體在該位置的壓力損失也就越大，越難以進(jìn)入后續(xù)的空腔，那么防泄漏效果會(huì)更好。從圖14中可以看到，棱紋形密封雙極板間隙入口附近的流體壓力最大，對(duì)流體造成的壓力損失也就最大，其防泄漏的效果最佳。齒形密封雙極板防泄漏的效果次之，而常規(guī)密封雙極板防泄漏效果最差。

從流體進(jìn)出口的壓差也可以反映密封效果，壓差越大密封效果越好。經(jīng)計(jì)算，棱紋形密封雙極板間隙出入口壓差最大，齒形密封雙極板次之，而常規(guī)密封雙極板間隙出入口壓差最小。

4.4.2 間隙高度對(duì)密封效果的影響

以棱紋形密封雙極板為例，通過(guò)沿豎直方向“拉開(kāi)”上下極板的距離來(lái)形成間隙高度H，通過(guò)調(diào)整H的大小來(lái)研究雙極板密封效果的變化規(guī)律。圖15所示為間隙高度H=1.5和2 mm時(shí)間隙表面的壓力云圖。

圖15 不同高度的間隙表面壓力云圖

由圖15可以看到：當(dāng)入口速度保持不變時(shí)，間隙高度H從1 mm擴(kuò)大到2 mm時(shí)，導(dǎo)致通道內(nèi)流體的流動(dòng)發(fā)生變化。隨著間隙高度的增加，流體入口處的壓力逐漸減小，間隙內(nèi)流體的流動(dòng)阻力也將減小，密封效果逐漸變差，因此應(yīng)該盡可能減小雙極板之間的間隙高度，來(lái)保證密封效果。

5 結(jié)論

通過(guò)改變?nèi)剂想姵孛芊怆p極板截面的幾何形狀，設(shè)計(jì)幾種仿生密封雙極板結(jié)構(gòu)，并仿真分析其密封性能。主要結(jié)論如下：

(1)仿生密封雙極板接觸面上的應(yīng)力更大，兩接觸面的結(jié)合更加緊密；仿生密封雙極板一凸一凹的鑲嵌結(jié)合方式，減小了泄漏通道的有效高度，增大了泄漏阻力，可有效防止泄漏的發(fā)生。

(2)仿生密封雙極板間隙內(nèi)流體的流動(dòng)與光滑平行平板間隙內(nèi)的流動(dòng)存在顯著差異。仿生密封雙極板之間形成了多個(gè)阻斷面和空腔，可對(duì)流體造成壓差損失，能有效避免流體的泄漏。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)設(shè)計(jì)的仿生密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)燃料電池密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考。