燃料電池仿生密封結構的設計與仿真*

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)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)通過氫氣和氧氣發生化學反應產生電能，具有體積小、能量密度大和噪聲低等特點，應用范圍廣泛[1-7]。近10多年以來，PEMFC 一直是新能源領域研究的熱點。電堆是由多個單電池通過密封的形式組合構成，其密封設計直接關系到燃料電池的安全性、可靠性和耐久性。然而在實際應用中發現，各單電池的密封件常因設計問題出現了不同程度的損傷甚至失效，導致電堆產生泄漏，極大地縮短了電池的使用壽命。因此，對燃料電池密封問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外，還與電堆整體結構有關，特別是兩密封雙極板接觸面的形狀，會影響密封面的接觸應力分布，進而影響電池的密封性能[9]。

通常認為，減小界面泄漏的途徑主要有2個：一是減小內外側壓力差；二是增加泄漏通道的阻力[10]。而針對某一實際工況，其環境內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。例如，對于金屬材料密封，可以通過壓縮應力使金屬密封材料產生一定的變形，從而減小2個接觸表面之間的間隙來消除泄漏路徑，增加泄漏阻力[11]；另外，還可以通過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，減小泄漏通道的有效高度，增大泄漏阻力，使得泄漏的發生變得困難[12]。

以往對燃料電池密封性能的研究主要集中在密封圈上，對密封雙極板接觸面形狀的研究報道則相對較少。為此，本文作者從自然界某些生物獨特的結構和功能中得到啟發，以燃料電池的泄漏率最小為優化目標，通過改變燃料電池密封雙極板截面的幾何形狀，設計了幾種仿生密封雙極板結構來提高燃料電池的密封性能。最后采用有限元模擬的方法對設計的仿生密封結構進行模擬仿真，并與常規密封雙極板進行對比，來驗證仿生密封結構的有效性。

1 PEMFC的結構與組成

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構成了PEMFC系統，電堆和單電池結構如圖1所示。單電池由雙極板、密封件、氣體擴散層、催化層及質子交換膜組成[9]。雙極板是連接單電池和構建電堆的重要組件，主要作用是提供流道、輸送氫氣和氧氣。密封件位于2個雙極板之間，主要作用是防止反應氣體的泄漏，保證密封件正常工作。由于常規雙極板的接觸面大多為平面結構，兩者的結合不夠緊密，再加上任何加工制造方法都不可能得到絕對光滑的理想表面，因而在相互接觸的密封面間總是存在著細微的間隙或通道，導致泄漏時常發生。為此，文中通過改變雙極板接觸面的幾何形狀，來改變雙極板之間的接觸應力和接觸狀態，從而達到密封效果。

圖1 PEMFC電堆的結構示意

2 仿生密封雙極板接觸面結構設計

海洋生物鯊魚是一種大型食肉魚類，它的每一次捕食都會給獵物造成致命性傷害且獵物很難逃脫，這離不開它的牙齒(如圖2所示)。鯊魚的牙齒除了鋒利外，還有一個突出的特點——通過上下排牙齒的完美咬合，可以產生很強的擠壓力(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，通過模仿鯊魚上下排牙齒的緊密咬合方式，將其中蘊含的生物學原理運用在燃料電池的雙極板結構上，以期提高雙極板之間的結合強度來增強燃料電池的密封性能。

圖2 鯊魚牙齒

將齒形仿生結構布置在密封雙極板相互接觸的區域，仿生結構的紋理方向垂直于雙極板的棱邊方向，規則等間距排列(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

扇貝長期棲息在海邊的沙灘上，如圖4所示，在海邊長期承受著海風和海水的推動作用，但是依然能夠穩固地攀附在沙灘上，與沙灘之間形成較強的黏結力。經研究這與扇貝體表的某種非光滑結構有關。吉林大學榮寶軍[13]利用逆向工程技術[14-15]對扇貝的脊進行局部特征信息提取，并在相應的軟件上進行曲線逆合，建立了棱紋形結構模型。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構運用于燃料電池的雙極板，設計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

根據棱紋形幾何結構特征，提出一種凸包形非光滑結構。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個獨立的單元體表面，根據這些單元體表面的結構特征，建立凸包形結構數學模型[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為相鄰兩個單元體之間的距離；h為頂點到地面的距離。

燃料電池雙極板接觸面結構的設計采用上述凸包形結構的球形單元體結構[13]，上部的雙極板密封面采用凸包形單元體結構，底部的雙極板密封面采用凹坑形單元體結構，兩者通過鑲嵌的方式結合在一起，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

根據棱紋形非光滑結構的特點，再結合燃料電池雙極板之間的結合方式，文中引申出一種條柱狀結構，其主要設計參數有：條紋的寬B，高H，條紋之間的間距S，第一個條形柱距端面的距離L。條柱狀雙極板的結構設計如圖7所示。

圖7 條柱狀雙極板

相比常規燃料電池密封雙極板結構，文中設計的仿生密封雙極板具有以下優點：(1)上下鑲嵌式的結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合強度，減小了泄漏通道的有效高度，增大了泄漏阻力，使泄漏的發生變得困難；(2)沿流體流動方向可以形成多個阻斷面和空腔，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

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，然后導入有限元分析軟件ABAQUS中，并與常規密封雙極板(如圖8所示)開展仿真對比分析。

圖8 常規密封雙極板

3.1 求解

3.1.1 材料參數及尺寸

雙極板的材料參數和尺寸見表1。

表1 材料參數和尺寸

3.1.2 接觸設置

粗糙面間的接觸問題屬于非線性問題，接觸面分為上下兩個面，只有當上方粗糙面接觸到下方粗糙面時，力才會從一面傳遞到另一面，才會發生位移或形變。如果沒有接觸，就不會發生上述行為，于是要求在每一時間步都對上下面的接觸狀態進行判斷。軟件使用的是主-從接觸算法，需要設置好主動面和從動面。文中將上部雙極板接觸面設置為主動面，底部雙極板接觸面設置為從動面，兩者的接觸類型設置為摩擦接觸，摩擦因數取0.25。

3.1.3 載荷設置

將底部雙極板完全固定，對上部雙極板施加500 N面載荷。

3.1.4 網格劃分

定義雙極板為四面體單元，單元類型設置為8節點六面體線性減縮積分單元C3D8R。盡可能細化網格尺寸，以提高計算精度。常規雙極板網格總數為286 736，齒形雙極板網格總數為228 996，棱紋形雙極板網格總數為244 794，條柱狀雙極板網格總數為229 885，凸包形雙極板網格總數為320 442。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 雙極板接觸面等效應力對比分析

圖9所示為常規密封雙極板與4種仿生密封雙極板接觸面的等效應力分布云圖。可以看到：

圖9 5種密封雙極板接觸面等效應力分布云圖(MPa)

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

(2)常規密封雙極板接觸應力的峰值出現在上部雙極板的中上部，并沒有出現在接觸面上，因此不能對接觸面進行緊密壓實。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力的峰值都出現在底部雙極板接觸面的凸峰上，且伴有應力集中現象，這樣的應力分布可以對兩接觸面進行緊密壓實：一凸一凹的形狀分布，使得凸峰在集中應力作用下緊密壓入凹谷內，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生。凸包形密封雙極板接觸應力的峰值出現在上部雙極板的中上部，并沒有出現在接觸面上，在載荷方面不能對兩接觸面進行緊密壓實，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力值最大，其對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，而常規密封雙極板密封效果最差。

3.2.2 外部載荷和壓縮率對接觸應力的影響

分別對以上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力隨外部載荷變化的曲線，如圖10所示。

圖10 外部載荷對雙極板密封面接觸應力的影響

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程，通過改變位移載荷的大小從而模擬不同的壓縮率。分別對以上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力隨壓縮率變化的曲線，如圖11所示。

圖11 壓縮率對雙極板密封面接觸應力的影響

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力也在增大，密封性能相應地增強，因此在密封圈不被破壞的前提下，在一定范圍內增大外部載荷和壓縮率可有效增強雙極板的密封性能。

4 仿生密封雙極板的流場仿真分析

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。將密封雙極板左側間隙設置為流體入口(inlet)，將密封雙極板右側間隙設置為流體出口(outlet)，如圖12所示。將模型導入有限元分析軟件ANSYS Fluent中，通過布爾運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 網格劃分

利用Fluent的Mesh模塊，對流域三維模型進行網格劃分，網格單元類型為六面體單元，網格總數為55 247個，網格劃分效果如圖13所示。

圖13 網格劃分效果

4.2 邊界條件

仿真過程中涉及的具體邊界條件見表2。

表2 邊界條件設置

4.3 數學模型

由于氣體的黏性很小，在高壓驅動下，通過計算雷諾數可知，氣體的流動可看作湍流流動，并同時滿足質量守恒方程和動量守恒方程[19]。

質量守恒方程為

式中：ρ為密度；t為時間；u為速度矢量。

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

4.4 仿真結果分析

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，流體從左側間隙流入，從右側間隙流出。

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梯度并非平直而是凹凸不平的，其密封接觸面間隙內流體的流動與光滑平行平板間隙內的流動存在顯著差異。

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

由結構力學的拐角效應可知，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，越難以進入后續的空腔，那么防泄漏效果會更好。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，而常規密封雙極板防泄漏效果最差。

從流體進出口的壓差也可以反映密封效果，壓差越大密封效果越好。經計算，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，而常規密封雙極板間隙出入口壓差最小。

4.4.2 間隙高度對密封效果的影響

以棱紋形密封雙極板為例，通過沿豎直方向“拉開”上下極板的距離來形成間隙高度H，通過調整H的大小來研究雙極板密封效果的變化規律。圖15所示為間隙高度H=1.5和2 mm時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：當入口速度保持不變時，間隙高度H從1 mm擴大到2 mm時，導致通道內流體的流動發生變化。隨著間隙高度的增加，流體入口處的壓力逐漸減小，間隙內流體的流動阻力也將減小，密封效果逐漸變差，因此應該盡可能減小雙極板之間的間隙高度，來保證密封效果。

5 結論

通過改變燃料電池密封雙極板截面的幾何形狀，設計幾種仿生密封雙極板結構，并仿真分析其密封性能。主要結論如下：

(1)仿生密封雙極板接觸面上的應力更大，兩接觸面的結合更加緊密；仿生密封雙極板一凸一凹的鑲嵌結合方式，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生。

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

(3)通過數值模擬的方法對設計的仿生密封結構進行評估，為后續燃料電池密封結構的設計提供了一定的理論參考。