装配工况下PEMFC不同双极板截面接触行为研究_任立海.pdf

第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月Vol.50，No.2Feb.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）装配工况下PEMFC不同双极板截面接触行为研究任立海 1，2，3，杨振华 3，李盛 3，蒋成约 3，赵清江 1（1.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401122；2.中国汽车工程研究院股份有限公司 博士后工作站，重庆 401122；3.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）摘 要：为进一步探究双极板几何形状对层间接触行为的影响，以金属双极板为对象，搭建了双极板压缩试验台，同时建立了双极板压缩试验有限元模型，根据压敏纸采集到的试验结果验证了模型的有效性.然后，分别搭建了梯形、矩形和波浪形三种常见截面形状的双极板有限元模型，并搭建了相应的双极板压缩试验有限元模型.通过仿真分析研究在不同装配载荷作用下双极板截面形状对层间接触行为的影响.结果表明：装配载荷大小和双极板截面形状对双极板与气体扩散层（Gas Diffusion Layer，GDL）之间的接触行为有显著影响；在不同装配载荷作用下，三种双极板肋下的GDL表面接触应力幅值均在0.52 MPa之间，均符合装配要求；在同等条件下，双极板肋宽度是决定双极板与GDL之间整体平均接触应力幅值和GDL平均侵入面积的主要因素；在三种双极板中，矩形双极板下的接触行为对装配载荷的变化更为敏感，并且矩形双极板下平均接触应力分布均匀性最差.关键词：质子交换膜燃料电池；有限元方法；截面形状；接触应力；GDL侵入中图分类号：TM911.4 文献标志码：AInvestigation on Contact Behavior of PEMFC with Different Bipolar Plate Section Shapes under Assembly ConditionsREN Lihai1，2，3，YANG Zhenhua3，LI Sheng3，JIANG Chengyue3，ZHAO Qingjiang1（1.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology，Chongqing 401122，China；2.Postdoctoral centre，China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China；3.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts（Ministry of Education），Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）Abstract：This study aimed to investigate the effect of bipolar plate geometry on the contact behavior of PEMFC.The bipolar plate compression test and the corresponding finite element（FE）model were developed taking a metal bipolar plate as an objective.The effectiveness of the FE model was validated against the experimental data collected 收稿日期：2022-03-07基金项目：国家自然科学基金资助项目（51405050），National Natural Science Foundation of China（51405050）；汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室开放基金资助项目（NVHSKL-202004），Open Foundation of State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology（NVHSKL-202004）；重庆市研究生科研创新资助项目（CYS21446），Graduate Student Innovation Program of Chongqing（CYS21446）；重庆市教委科学技术研究资助项目（KJQN201901141），Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission（KJQN201901141）.作者简介：任立海（1986），男，山东菏泽人，重庆理工大学副教授，博士 通信联系人，E-mail：文章编号：1674-2974（2023）02-0209-12DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022198湖南大学学报（自然科学版）2023 年by pressure-sensitive films.Then，the FE models of bipolar plates with trapezoidal，rectangular，and wavy section shapes and the corresponding compression tests were established，respectively.The effect of bipolar plate section shape on contact behavior under different assembly pressure was investigated by FE simulations.The results demonstrated that the assembly pressure and the section shape of the bipolar plate had a significant effect on the contact behavior between the bipolar plate and the gas diffusion layer（GDL）.Under different assembly pressure，the amplitudes of GDL surface contact pressure beneath the ribs of three kinds of the bipolar plate were between 0.5-2 MPa，which can meet the assembly requirements.The rib width of the bipolar plate is the critical factor that determines the amplitude of the overall average contact pressure between the bipolar plate and GDL as well as the average intrusion area of GDL.Among those three kinds of bipolar plates，the contact behavior under the rectangular bipolar plate is more sensitive than others，while the uniformity of average contact pressure distribution is the worst.Key words：proton exchange membrane fuel cells（PEMFC）；finite element method；section shape；contact pressure；gas diffusion layer（GDL）intrusion质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）电堆以其高功率密度、快速启动能力、较低的工作温度和零排放等优点被广泛认为是可以在多领域应用的潜在替代能源1-2.双极板作为PEMFC电堆的核心组成部件之一，在电堆工作过程中起到支撑、为冷却液和反应气体提供流道、收集与传导电流等作用，其物理特性对电堆的工作性能有着较大的影响3.合理的双极板流场几何参数可以优化双极板物理特性、改善电堆的工作性能、实现电堆系统运行成本的大幅下降4-5.双极板的流场设计大致可以分为流场结构设计、截面形状设计和截面几何参数选择等三个方面6.其中，双极板的流场结构决定了反应气体和冷却水的流动状态，通过优化流场结构可以提高反应气体的传输效率和改善燃料电池的水热管理7.Shimpalee 等人的研究表明改变流场结构和通道特性会影响PEMFC电堆的性能和气体均匀性分配8.考虑PEMFC电堆的实际使用要求，选择合适的流场结构，可以最大限度地提高电堆的工作性能2.对于双极板截面几何参数的研究大多从流道宽度、肋宽度和流道高度入手，由此来分析选择不同的参数对PEMFC 电堆性能的影响9.Chiu等人发现可以通过减小流道高度或宽度来改善平行流场和蛇形流场的电堆性能，并且当通道纵横比接近于1时，可以通过减小通道尺寸来改善平行流场和蛇形流场的除水性能和电堆性能10.Kim等人的研究表明在双极板设计中，采用较高的通道和肋宽比会导致GDL（Gas Diffusion Layer，GDL）在肋上方产生较大的变形，同时在流道沿线产生较高的流动阻力11.已有关于双极板流场几何特征的研究多集中于流场设计和截面几何参数分析，而双极板截面形状也会对PEMFC电堆的性能产生较大的影响6.因此，为了更好地厘清双极板结构设计要素，亟需探究双极板截面形状对PEMFC电堆性能的影响机制.近年来，研究人员从不同角度开展了关于双极板截面形状对PEMFC电堆性能影响机制的有益探索.Kumar等人从气体流动性和电化学反应的角度开展研究，结果表明，在其他条件一定时，采用三角形和半球形截面形状双极板可以提高9%的氢消耗量，这将在一定程度上提高PEMFC电堆的工作性能9.Ahmed等人从电化学反应的角度出发，搭建了不同截面形状的双极板有限元模型，研究表明矩形截面的双极板可以提供更高的电压，而梯形截面的双极板促进了反应物的扩散，从而使反应物和反应区域的局部电流密度更加均匀 12.当前，有关双极板截面形状的研究大多从气体流动性和电化学等角度考虑，少有关于双极板截面形状对双极板与GDL层间接触行为影响的研究.然而，在电堆装配载荷作用下，双极板与GDL之间会产生接触应力以及GDL向气体流道侵入等层间接触行为，从而影响PEMFC电堆的性能11，13.因此，如何优化双极板的物理特性、提高PEMFC电堆的性能，是非常具有工程实际价值和研究意义的.本研究选用金属双极板作为研究对象，旨在探210第 2 期任立海等：装配工况下PEMFC不同双极板截面接触行为研究索装配载荷作用下PEMFC电堆双极板截面形状对双极板与GDL层间接触行为的影响.运用有限元建模仿真方法，构建具有不同截面形状的双极板及相应的双极板压缩试验模型，研究在不同装配载荷作用下双极板截面形状变化对 GDL表面接触应力和GDL侵入等层间接触行为的影响，以期为电堆整机及零部件的结构设计及工程应用提供参考.1 方法1.1 双极板压缩试验研究搭建了双极板压缩试验台，运用电子万能试验机模拟并施加装配载荷，提取并分析双极板与GDL之间的接触应力大小和分布情况，为后续验证双极板压缩试验有限元模型的有效性做准备.1.1.1 试验样件试验样件由端板、双极板、GDL