质子交换膜燃料电池绑带式装配建模分析.doc
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1、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440mm135mm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
2、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 等3提出了测量
3、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
4、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
5、、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C3D8六面体单元。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
6、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
7、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10Nm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
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- 质子 交换 燃料电池 绑带 装配 建模 分析
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