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氢燃料电池密封胶线压缩仿真分析与研究

2023-11-02 333 上传者：管理员

摘要：为了探究质子交换膜(PEMFC)工作过程中密封件的压缩比对电池密封性能的影响，首先采用Mooney-Rivilin 5超弹性本构模型对EPDM70密封条材料进行曲线拟合，以提高分析和仿真精准性。然后对密封件的高度、形状进行设计计算，设计了用于压缩仿真的圆角为0.2 mm的矩形模型，并通过拓扑优化分析逐步设计为双峰结构。最后采用ANSYS非线性有限元方法对燃料电池密封条的压缩进行仿真分析。结果表明，圆角密封胶线的密封力更大，圆角平面密封胶线的密封力与双峰结构一致，并在密封要求下提出了密封件的初始高度。

关键词：
压缩仿真
发电效率
密封力
有限元
氢燃料电池
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制约氢燃料电池商业化发展的重要因素是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的续航能力和寿命[1]。密封材料作为燃料电池重要组成部分虽然不参与电化学反应，但性能优劣直接影响着蓄电池的发电效率和使用寿命[2]。通过改变质子交换膜燃料电池密封层的厚度，比较3个单电池的极化曲线和内阻变化，得出一个符合条件的密封层厚度[3]。对圆角矩形、圆角梯形、双峰梯形和双峰半圆形4种形状的密封结构进行仿真分析，结果表明，有圆角的矩形密封结构密封效果更好。在截面底边接触长度相同的情况下，随着截面顶部接触面积减小，密封结构对应的应力应变仿真结果也减小[4]。

针对燃料电池最佳密封力作用下密封结构易失效的问题，提出了以最佳密封力为基础的密封结构设计方法，并运用有限元分析手段，基于燃料电池结构和工作原理进行验证。结果发现，在保证燃料电池工作性能不受影响的同时，基于这种方法设计的密封槽和密封圈也处于压缩的最佳状态，不仅密封圈的预压缩量比橡胶的永久变形量要小，而且产生的接触应力也符合介质密封的要求，因此，密封结构大大提高了燃料电池工作的可靠性[5]。

利用Isight内置的多岛遗传算法，结合ABAQUS和MATLAB泄漏率计算程序，基于PEMFC封口性能的分析结果，以最小泄漏率为优化目标，展开封口截面形状的优化设计，从而获得封口截面的最佳形状。并将这一、二维优化成果扩展到三维电池密封结构设计中，使优化后的密封结构泄漏率降低26.7%,从而显著改善了电池的密封性能[6]。

粗糙度接触压力与气膜平均压力之和等于密封面上的密封压力，当膜厚比较小时密封压力主要由粗糙度接触压力决定，粗糙度接触压力影响较小，气膜压力影响较大，反之气膜压力影响较小[7]。结合燃料电池技术详细介绍了氢能燃料电池汽车工作原理与动力系统，重点分析了燃料电池发动机技术以及配套核心材料、关键零部件应用现状与研制成本[8]。

1、Mooney-Rivilin超弹本构模型选择

Mooney-Rivilin 2超弹本构模型，弹性应变能函数为：

W=C10(I1−3)+C01(I2−3)+(1/D1)(J−1)2 (1)

Mooney-Rivilin 3弹性本构模型，Mooney-Rivlin 3参数的弹性应变能函数为：

W=C10(I1−3)+C01(I2−3)+C11(I1−3)(I2−3)+(1/D1)(J−1)2 (2)

Mooney-Rivilin 5超弹本构模型，Mooney-Rivlin 5参数的弹性应变能函数为：

W=C10(I1−3)+C01(I2−3)+C20(I1−3)2+C11(I1−3)(I2−3)+C02(I2−3)2−(1/D1)(J−1)2 (3)

函数中的C10、C01、C20、C11、C02是材料常数；D1是不可压缩量；I1、I2是变形张量。如表1所示，Mooney-Rivilin 3比Mooney-Rivilin 2多了1个常数C20,Mooney-Rivilin 5多了3个常数(C20、C11和C02),计算会更加复杂，难度更大。使用Uniaxial Test data进行模拟验证，可以模拟2、3和5参数，不能模拟9参数；因为模型9的参数更加复杂，不能验证9参数。模型9具有更复杂的参数，需要更多的计算并可能导致收敛困难。模型2参数只能模拟变量小于30%。本实验采用EPDM70材料进行曲线拟合。输入表1中函数参数，得到的拟合曲线见图1。

表1 Mooney-Rivilin超弹本构模型材料参数

图1 Mooney-Rivilin超弹本构模型拟合曲线

通过Mooney-Rivilin 2、3、5模型参数拟合曲线比较，Mooney-Rivilin 5参数模型拟合效果最吻合。虽然模型5的计算难度相对较大，但是计算结果更加精确，可选择Mooney-Rivilin 5模型参数来计算。

2、密封垫设计与计算

EPDM70的形状来源于新一代金属板设计，目的就是为了计算出达到密封条件下最小密封垫的高度，对各部分的受力进行分析。采用厚度为0.169 mm的碳纸进行计算，密封线被压缩25%后的密封线的高为0.33 mm。参考目前标准中密封胶线的设计原则，密封线的宽度取值2.5 mm,计算密封的厚度，使密封达到230 kPa的压力标准。密封材料的物性见表2。

表2 EPDM70材料物性

图2仿真简化模型

刚性压板与EPDM胶线，一边设置为绑定约束，一边设置为摩擦接触，摩擦系数为0.8,采用广义拉格朗日法计算，渗透容差值0.1 mm,法向刚度因素为10-4,稳定阻尼系数0.2,搜索区域半径1.5 mm,在另一面压缩20%。计算结果如图3所示。

图3矩形压缩仿真应力分布

图3中显示的结果表明，图3(a)中的密封力达不到所需的230 kPa,测量值仅为60 kPa。图3(b)显示了430 kPa的应力分布，满足密封要求。虽然压缩比为27.5%,但密封力主要来自平板密封的边缘，中间部分达不到要求。针对这一问题，在边缘处增加0.2 mm的圆角，以拉长密封线，消除应力集中对边缘和尖角的影响。用于仿真的计算模型宽度为2.5 mm,长度为10 mm,高度为0.38 mm,圆角为0.2 mm,如图4所示。计算结果如图5所示。

图4厚度0.38 mm、圆角0.2 mm仿真模型

图5圆角0.2 mm的应力分布

研究发现，密封压力集中在材料的圆角边缘，约为370 kPa。要求工作气体压力为230 kPa(表压),满足此要求。研究还表明，有圆角的密封力比没有圆角的密封力大。对密封线模型进行了扩展，采用0.25 mm的宽度，100 mm的长度，0.38 mm的高度和0.2 mm的圆角来计算压力块，同时设置为刚体和柔性体。根据柔性体的计算数据进行拓扑优化，设定条件为保留60%的材料。

图6表明了压块的设置对计算结果影响较大，需要进行实验验证。在三元乙丙密封线的2种设置下，圆角和上边缘附近的应力分布保持一致。压块被设置为柔性的拓扑优化，设置目标减少40%的材料，计算结果见图7。

图6长度扩大后应力分布

图7拓扑优化后的模型

从图7可以看出，拓扑优化后发现材料去除大部分是胶线中间应力小的区域，演变成双峰的密封效果。突出的单峰在实际装配中被压缩的方向难于控制而易发生变形，从而导致密封失效。假设压缩变形的方向可控，类似丰田的设计，双峰结构效果应该更好。材料去除集中在中部区域，单峰宽度大约在0.6 mm。采用模型宽2.5 mm、长100 mm、高0.38 mm、圆角0.2 mm的双峰胶线进行仿真验证。

模型参数的确定：①密封线压缩后的高度为0.27 mm,密封线高度0.38 mm,材料被压缩0.11 mm;②密封线的平层高度为0.25 mm,凸峰高度为0.13 mm;③计算模型长度为100 mm,截面如图8所示。

图8双峰结构设计截面

图9表明了单峰结构与双峰结构的单平面密封的结果基本上是一致的，由于网格和被压缩的方向不可控，双峰结构计算的结果和平面计算的结果存在误差。

图9双峰结构应力分布

3、冷却系统侧密封线设计受力分析

理论计算如图10所示，金属板胡槽深为0.4 mm,冷却系统的2个单板用密封线连接，ARI和H2部分，密封线被压缩后的高度为0.4 mm。假设冷却系统的液体进入的水压为300 kPa。借鉴到气体侧的计算，密封条会被压缩25%～30%。所以，推断假设密封线的初始高度为0.55 mm,压缩0.5 mm,进行密封力的计算。

图10金属板设计截面

图11表明了刚性比柔性的密封力要小，因为刚性面只与粗糙面高峰的地方接触，所以应力比较小。在实际应用中，压块更倾向于柔性体，密封力在1 MPa左右，虽然刚性300 kPa刚好满足要求，但仍能满足密封要求，因此冷却系统的密封胶线模型可以用厚度0.55 mm、圆角0.2 mm的密封件进行冷却流道的密封。

图11厚度0.55 mm胶线应力分析

4、金属板气体侧密封计算

4.1气体密封条件

根据金属板设计要求，空气的工况压力250 kPa,氢气的工况压力270 kPa。表压分别为150、170 kPa。考虑到空压机气体的压力波动，取1.5倍的系数，则需要的密封力的最小值为255 kPa。即对密封压力要求是不小于255 kPa,气体工况指标如表3、表4。

表3氧气额定工况指标

4.2气体侧密封高度计算

金属板设计见图12,单板的流道深度为0.4 mm,金属板的密封支撑边缘位于流道的中心面。

图12金属板设计截面图

忽略膜电极厚度75μm的影响，MEA的厚度为0.15 mm。使用GDL最近工况压缩20%～25%,GDL的厚度0.169 mm。对压缩后的厚度进行计算，计算公式如下：

q=[(L−L0)/L]×100% (4)L=(L0/q)×100% (5)

式中，q为压缩比率；L为初始高度；L0为压缩后的高度。代入式(4)可以计算出GDL压缩后的高度，气体密封被压缩后的高度流动深度的一半与GDL压缩后的厚度之和。将取GDL被压缩25%时的厚度及被压缩20%的厚度代入式(5)可以计算出压缩20%时EPDM的初始厚度为0.42 mm,压缩25%时EPDM初始高度为0.44 mm。计算结果如表5所示。

表5压缩前与压缩后GDL与EPDM的厚度

密封计算分别以初始高度0.42 mm压缩20%和初始高度0.44 mm压缩25%来进行试算。

图13所示刚性和柔性的密封力均未达到密封要求，而图14虽然刚性设置刚刚满足要求，由于氢气的工况压力的最小密封力安全系数为1.2时取值306 kPa,刚性压块密封力为255 kPa,可靠性系数0.83没有达到安全系数，为了不过量设计，初始高度可采用0.44 mm。

图1 3厚度0.42 mm胶线应力分布

图14厚度0.44 mm胶线应力分布

5、结论

使用有限元模拟计算压缩密封垫后的高度。初始高度设置为0.35、0.38、0.40、0.42 mm进行建模，并使用ANSYS软件模拟25%的压缩。结果表明，0.35 mm厚度的密封力不足以完全密封，而0.38 mm厚度满足密封条件。因此，垫片的初始高度设置为0.38 mm。密封线的形状设计采用矩形、圆角0.2 mm、双峰结构进行仿真计算。在相同的高度和压缩量下，带圆角的模型密封力要大于不带圆角的模型。双峰结构的密封力与平面结构相似。如果可以控制装配误差和压缩方向，双峰结构将提供比单峰和矩形结构更好的密封效果。

参考文献:

[1]余意,王谌,詹志刚,等质子交换膜燃料电池启停衰减的研究进展[J]电池工业,2010, 15(2):120-123.

[2]李新,王-丁,詹明质子交换膜燃料电池密封材料研究概述[J]船电技术,2020, 40(6):19-23.

[3]杨全勇,余意,詹志刚.密封层厚度对国产材料燃料电池性能影响[J]电池工业,2011,16(3):172-175.

[4]张强氢燃料电池密封复台材料超弹性本构关系研究及密封结构优化[D].北京:北京化工大学, 2022.

[5]张圣卓,于亮.质子交换膜燃料电池密封结构设计方法研究[J].佳木斯大学学报:自然科学版,2018,36(3):475-478.

[6]肖文灵燃料电池密封结构优化设计与性能分析[D].大连:大连理工大学, 2020.

[7]任晓,吴承伟,周平粗糙表面的气体密封性能研究[J]机械工程学报,2010,46(16):176-181.

[8]殷卓成,王贺,段文益,等氢燃料电池汽车关键技术研究现状与前景分析[J]现代化工, 2022 , 42(10):18-23.

文章来源:李天,樊中免,李昊依等.氢燃料电池密封胶线压缩仿真分析与研究[J].现代化工,2023,43(S2):273-277+282.