質子交換膜燃料電池一體化密封設計與仿真*

殷駿 楊帆 楊代軍 周偉 藍弋林

（同濟大學，上海 201804）

主題詞：質子交換膜燃料電池 一體化密封單電池 密封結構 力學仿真

1 前言

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有高效率、低污染、低噪聲的優點，適用范圍廣[1-3]。近年來，PEMFC 尤其受到汽車公司的青睞，已成為新能源汽車領域的研究熱點。PEMFC 相關的研究中，針對雙極板、膜電極組件（Membrane Elec?trode Assembly，MEA）等核心零部件的研究較多，而針對PEMFC密封件，尤其是其耐久性的研究很少。然而，因PEMFC密封失效、膜破損引發的電堆可靠性、耐久性問題卻極大地影響著整個燃料電堆的性能和壽命，也是電堆安全性和可靠性的最大威脅。

傳統PEMFC 的陽極板、陰極板和MEA均為獨立制造。為了減少零部件的數量，可將密封件與極板或MEA附著加工成組合體，依靠裝配壓力組合成為單電池。傳統單電池一般通過密封圈實現對氫氣、空氣和冷卻液的密封，稱作線密封結構，其結構簡單、直觀、易于加工。然而，由于單片密封件制造存在誤差，在長期服役中極板之間受力穩定性和一致性較差。而當面間受力不均勻時，易導致單電池內部與節間接觸電阻、熱阻產生較大差異，從而難以保證整堆發電時的一致性[4-5]。豐田汽車公司公開了一種燃料電池單體電池[6]，基本解決了上述密封相關問題，其并非使用O 型密封圈對雙極板與MEA進行密封，而是使用一種樹脂框架對雙極板和膜電極進行限位，但該結構并未使樹脂框架均勻地包覆在電解質膜周圍，因此在較大溫差的工作條件下樹脂框架造成的局部壓力可能對電解質膜造成損傷。

為了解決上述問題，本文以PEMFC 線密封結構為參考，以提升單電池的穩定性、降低各部件損傷風險為目標，設計一種一體化密封單電池（Integrated Unit Cell），將陽極板、陰極板和膜電極通過注塑的方式組合成一個部件，并對其加工方法進行初步探索。為了考察質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）在工作環境下的受力情況，分別建立線密封單電池和一體化密封單電池結構模型，利用ANSYS Workbench 對模型進行有限元仿真，并將2種結構的仿真結果進行對比。

2 一體化密封單電池結構設計

2.1 PEMFC傳統密封結構

目前，PEMFC 傳統的密封結構主要可以分為4 類，如圖1所示。這些結構類型既可以用于石墨雙極板，也可以用于金屬雙極板[7-13]。

圖1 PEMFC傳統的密封結構示意[7]

以上4 類PEMFC 密封結構中的雙極板、MEA 和密封件均分開制造，密封材料分別置于PEM的兩側，通過裝配壓力將雙極板、MEA 和密封件緊密地組合到一起形成有效密封。然而，單片密封件制造的尺寸誤差、組裝錯位等因素易導致極板受力不均，進而導致片與片之間接觸電阻的差異，其發電時性能的一致性也就難以保證，電堆的性能亦達不到設計要求。同時，在內、外氣體壓差的作用下，密封件有向外移動的趨勢，該力作用到PEM 上表現為平面內被向外周拉伸，在溫度、濕度、車載變工況等運行條件長期交變的影響下，PEM 有損傷風險[13-18]，電堆壽命難以保證。

2.2 一體化密封單電池新型結構設計

本文設計的一體化密封結構如圖2所示，采用模具將陽極板、陰極板和MEA 裝配后再通過注塑成型實現密封，密封膠深入到氣體擴散層，嚴格保證了MEA及兩側極板之間的平行度和距離，也保證了多節單體電池的結構和尺寸的一致性和長期穩定性，防止電池內部氫氣、空氣和冷卻液竄漏和外漏，保證了電池的安全性。同時，這樣的加工工藝有利于批量加工制造，提高生產效率和良品率。

圖2 一體化密封單電池的密封結構示意

相比于傳統單電池結構，一體化密封單電池的結構穩定性顯著提升，電堆的組裝、拆卸和可維護性大幅加強，PEM機械強度不足、密封件壓縮永久變形大等問題

得以緩解。相對于文獻[6]的燃料電池單體電池結構，本文設計的樹脂框架結構可以均勻地包覆在MEA四周，起到保護作用。即使在溫差較大的工況條件下，也可以使MEA 受到的應力均勻分布，避免出現應力集中的情況，從而減小了MEA 受到機械應力損傷的可能性。該方案的樹脂框架布局相較于文獻[6]公開的結構更易加工成型，方便注塑成型，并且針對本文設計的單體電池的夾具制造較簡便，容易定位。

2.2.1 極板設計

本文提出的單電池的極板在活性面積為25 cm2的石墨雙極板基礎上進行了適應注塑成型的結構優化。主要設計思路為：

a.一體化密封單電池采用面密封結構，這是為了使極板受力均勻、密封良好，與線密封結構相比，密封功能區的面積增大了8倍。

b.傳統線密封單電池可以通過調節密封件的厚度控制炭紙的壓縮率，一體化密封單電池則通過在密封槽內設置的凸臺實現對炭紙壓縮率的控制。

極板各部分結構的細節如圖3所示。

圖3 一體化密封單電池平面示意

極板上凸臺的作用為固定膜電極、避免炭紙被過度壓縮、保證兩極板之間的平行度，凸臺1～3、凸臺6、凸臺8～10和凸臺13與MEA緊密貼合，防止注塑時密封膠堵塞進入排氣歧管孔、水孔和定位孔。

極板上凸臺的高度d為：

式中，bGDL為與極板同側的氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）的原始厚度；bCL為與極板同側的催化層（Catalyst Layer，CL）的原始厚度；fr1、fr2分別為與極板同側的GDL 和催化層的壓縮率；C為密封槽的深度；bFr為樹脂框架（Frame）的厚度。

2.2.2 MEA的布置

MEA布置的需求：

a.注塑時膠液流動需要壓力差，為了防止PEM受壓錯位、變形，采用樹脂框架對PEM 進行保護，其結構如圖4所示。

圖4 MEA示意

b.一體化密封單電池的優點之一是該結構能對PEM 起到保護作用，故在樹脂框架內框與GDL 之間留1 mm間隙，使密封膠能包裹住PEM，并滲入炭紙邊緣。

2.2.3 一體化密封單電池的加工方法

該一體化密封單電池的加工工藝包括以下步驟：

a.按圖5所示將陽極板、陰極板和MEA疊放在一起。

圖5 一體化密封單電池部件疊放次序

b.向極板施加一定的壓力，使炭紙出現一定程度的壓縮，樹脂框架接觸到兩極板的凸臺，并被壓緊，陽極板、陰極板和MEA的相對位置不再變動。

c.通過夾具將兩極板固定，并保證兩極板之間平行度滿足設計要求。

d.設置注塑夾具和抽真空夾具，進行抽真空注塑，待密封膠固化成型后撤去夾具。

執行步驟d時，以夾具邊緣的開孔作為液態密封膠的注入通道，密封膠沿兩極板之間的縫隙流入，填滿兩極板之間。在極板上歧管孔處連接抽真空裝置，圖6所示為抽真空氣體流向示意，空氣沿平行膜電極方向流入流道，沿流道運動到歧管孔處。電池內部與抽真空泵之間形成適當的壓差，保證注塑時既不會產生氣泡，又能使液態密封膠分布均勻，同時少量密封膠滲入炭紙邊緣后受阻，也能及時停止流動。

圖6 抽真空氣體流向

3 靜力學仿真

3.1 模型設計

3.1.1 有限元仿真模型

線密封單電池仿真模型和一體化密封單電池仿真模型分別如圖7 和圖8 所示。由于催化層由GDL 下數十至數百納米的微小顆粒（Pt/C）組成，其厚度為數微米到數十微米，相對于總厚度為400～500 μm 的MEA 來說，其壓縮、變形等機械行為的影響可忽略不計，為減少計算量，本文在仿真分析時略去催化層。

圖7 線密封單電池模型

圖8 一體化密封單電池模型

3.1.2 裝配模型

螺栓緊固是PEMFC 裝配普遍采用的形式，結構如圖9 所示，在端板的4 個角用4 個M6 的螺栓連接，依靠螺栓預緊力將電池壓緊。為簡化計算量，在仿真模型中將螺栓省略，在螺栓與端板接觸面上施加沿螺栓軸線的力。

圖9 單電池裝配模型

3.1.3 PEM受力分析路徑劃分

為研究PEM 薄弱處的受力變形情況，如圖10 和圖11 所示，在PEM 上取3 個方向的路徑（Path），提取各路徑的變形量數據。沿路徑A-1至A-2提取PEM 沿X方向的變形數據，正值表示PEM 受壓，負值表示PEM 受拉；沿路徑B-1 至B-2 提取PEM 沿Y方向的變形數據，正值表示PEM受壓，負值表示PEM受拉；沿路徑C-1至C-2提取PEM沿Z方向的變形數據，判斷其受力接觸的均勻性。然后分別作出這3 個方向路徑在不同加載方式和不同載荷下的變形曲線。

圖10 一體化密封單電池PEM路徑劃分

圖11 線密封單電池PEM路徑劃分

3.1.4 粘結力假設

本文中的仿真工作側重于結構靜力學分析，故針對粘結力條件作出以下假設：各組件材料均為線彈性；材料的力學性能不受溫度、濕度等因素影響。

各組件材料屬性和主要幾何尺寸如表1所示。

表1 材料屬性及力學參數

PEM、氣體擴散層和樹脂框架形狀規整，采用六面體網格進行劃分，極板和密封件結構采用四面體網格劃分。PEM、樹脂框架和密封件的網格單元尺寸設置為1 mm，極板的網格單元尺寸設置為1.4 mm，端板及夾緊裝置網格單元尺寸設置為4 mm。不包括端板和夾緊裝置的單電池共有185 692個單元、448 141個節點。

3.1.5 載荷

3.1.5.1 裝配載荷

模型裝配方式為螺栓夾緊，作用力分別集中在端板的4個角上，然后在極板流場區域分別施加4種不同大小的載荷進行仿真分析，4種載荷分別在極板流場脊區域產生0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa的平均應力。

3.1.5.2 氣體載荷

PEMFC 工作過程中密封件、PEM 和極板上會受到反應氣體的壓力。氣體在流場中流動，在擴散層中擴散，壓力會有所損失且各處存在差異。為簡化計算，將燃料電池內部同側氣體壓力視為處處相等，即陽極側氣體壓力為表壓100 kPa，陰極側氣體壓力為表壓80 kPa。

3.2 仿真結果

圖12所示為2種單電池PEM在不同方向上的變形仿真結果。由圖12a 和圖12b 可知，一體化密封單電池PEM上與氣體擴散層接觸區域的邊緣變形量明顯較線密封方式小。通過計算，在陰極板流場脊區域平均應力為0.6～1.2 MPa 的條件下，一體化密封單電池PEM 沿活性區域邊緣的變形比線密封單電池降低了67.52%～80.73%，這將極大地改善PEM的力學穩健性，降低其受拉撕裂風險，從而提升其使用壽命。

由圖12c 可知，在陰極板流場脊區域平均應力為0.6～1.2 MPa 的條件下，一體化密封單電池PEM 在活性區域沿厚度方向變形相較于線密封單電池降低了30.86%～45.92%，壓縮均勻性有所提高。

圖12 2種單電池PEM在不同方向上的變形仿真結果

根據PEM 的物理特性，在熱沖擊和氣體壓力的交變載荷作用下存在拉裂風險[2,19]，可能會造成電池內部流體竄漏，導致發生不可控的化學反應，因此減小PEM的變形有利于減少膜的損傷[20-22]。從仿真結果上看，一體化密封單電池的PEM 損傷風險更小，從而提升了單電池的可靠性。

綜上，采用工程上最常見的螺栓緊固方式進行電堆裝配時，一體化密封單電池的接觸均勻性優于線密封單電池，在4種仿真載荷下，一體化密封單電池沿平面方向的變形量較線密封單電池減少了67.52%～80.73%，沿厚度方向的變形量比線密封方式減少了30.86%～45.92%。

4 一體化密封單電池試驗驗證

本文設計并加工的一體化密封單電池實物如圖13所示，包括2塊極板和1片MEA。從圖13c中可以發現，密封膠已經完整均勻地填充至極板邊緣，極板與極板之間粘合緊固，實現了預期的加工效果。

圖13 一體化密封單電池實物

為驗證一體化密封單電池的密封性能，搭建了如圖14 所示的基于差壓法的密封性能測試系統，該系統主要包括COSMO LS-R700 差壓式檢漏儀、被測件與對應夾具、氣動閥門及管路。測試項目包括單電池氫腔外漏、空腔外漏、冷卻腔外漏、氫/空竄漏、氫/冷卻液竄漏、空/冷卻液竄漏以及單電池總外漏7項指標。測試條件參照GB/T 33978—2017《道路車輛用質子交換膜燃料電池模塊》[23]。其中，外漏測試通氣壓力設定為實際運行壓力的1.5倍，竄漏測試通氣壓力設定為表壓50 kPa。

圖14 密封性能測試系統

一體化密封單電池密封性能測試結果如表2所示，其中標準漏率指標參照國家項目任務書及其他國家標準取得[23-24]。經測試，文本加工的一體化密封單電池各項漏率指標均合格。

表2 密封性能測試結果

5 結束語

本文設計了新型一體化密封單電池各部件的結構，并探索了其加工工藝，建立了一體化密封和線密封2種方式的單電池模型，利用ANSYS Workbench 對其進行了靜力學仿真，研究發現：一體化密封方式下PEM活性區邊緣的變形量較線密封方式明顯降低，其壽命得以強化；采用工程上最常見的螺栓緊固方式進行裝配時，一體化密封單電池PEM活性區域邊緣的變形相較線密封單電池明顯減少。在4種仿真載荷下，一體化密封單電池沿平面方向的變形較線密封單電池減少了67.52%～80.73%，沿厚度方向的變形較線密封單電池減少了30.86%～45.92%，這將進一步改善PEM 的受力情況，降低其撕裂風險，從而提升了其使用壽命。為驗證一體化密封單電池密封性能，搭建了基于差壓法的密封性能測試系統，并對加工成型的一體化密封單電池實物進行了密封性能測試，試驗結果表明，其各項漏率指標均合格。