PEMFC的MEA的所受应力之和受材料性能结构的影响外文翻译资料

 2022-07-19 08:07

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PEMFC的MEA的所受应力之和受材料性能结构的影响

摘要

组装膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件之一，MEA由催化剂涂膜、气体扩散电极、框架垫圈和密封装置组成。通过使用一个2D有限元模型引起的机械应力膜在电池装配过程分析为不同的框架材料、框架结构和接触行为。膜的应力分布和量化已经被提出通过采用2D有限元模型，分析不同MEA的垫圈材料，垫圈结构和接触方式在电池组装过程中引起的膜的机械应力。膜的应力分布被给出且得到量化。区域具有较强的非均匀应力下可观察到膜的边缘。观察到膜的外部边缘形成了强烈非均匀应力的区域。与对齐的框架组建比阶梯框架组建和粘结接触行为有更好的均匀应力分布，阶梯式垫圈结构（SFA）及结合的接触方式形成比对齐式垫圈结构（AFA）更均匀的应力分布。框架材料不是影响阶梯框架组建的膜的应力集中的主要因素，而对于阶梯框架组建框架材料的机械性能应更接近膜的性能垫圈材料不是影响SFA膜应力集中的主要因素，而AFA垫圈材料的力学性能应与膜的力学性能接近。结果将有助于人们选择垫圈材料和设计垫圈结构,并且可以用于指导质子交换膜燃料电池的组装。

关键词：框架、燃料电池、膜、应力集中

1.介绍

由于能源危机和环境恶化,世界上许多国家加紧了对新能源的研究，燃料电池被认为是最有前途的一个新能源设备[1]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的操作特点,特别是耐久性有待改进。所需的质子交换膜燃料电池汽车应用寿命超过5000 h[2]。燃料电池单元是由多余五种不同种类的材料组成，由于不同的结构和变形可能会带来游行问题。膜电极结构有两个主要功能:（1）保护膜电极，减少应力集中对膜电极的影响；（2）保持单电池之间的绝缘性和密封性。质子交换膜燃料电池组成中膜电极的重要性时公认的，根据专利发表膜电极结构被很多燃料电池公司广泛采用像3M、巴拉德、本田、通用汽车等。

许多研究已经报道膜电极中异构量的压力。然而,MEA的材料和结构没有引起足够的重视和优化。Bograchev 等[3, 4]采用有限元分析(FEA)，调查产生在电池组装和运行程序的机械应力。还观察到连接密封接头/石墨板下的膜的异构压力。Tang 等和Solasi等开发了有限元模型来探讨在聚合物中的原位应力。分析表明,在膜层中，内平面应力是主要的应力。由MEA的温度梯度引起的非均匀应力分布, 诱导局部弯曲应力这可能导致膜与气体扩散电极之间的分层。同时两种不同几何图形的排列和交替气体通道的影响也被引入。对齐的气体通道产生湿热应力小于双相交替排列的双极板。

刘等人开发“最小二乘支持向量机（LS-SVM）”仿真和统计分布探讨双极板的装配误差的影响相当于交替排列的双极板的压力分布和MEA的应力失效。燃料电池组装和操作的过程是复杂的,包括各种材料、结构和装配方法。

本文通过探讨框架材料和结构影响,包括框架和膜之间的联系模式来研究在首次组装过程中的机械应力。本研究的主要目的是揭示和解决装配问题,特别是框架/膜边缘以下的应力集中问题。

2. 计算模型

2.1真正的MEA结构

燃料电池堆由燃料电池单元（阳极/阴极流板、密封元件和MEA）、电流收集器、绝缘板和端板等组成。图1a显示燃料电池堆组件的示意图。一个MEA由催化剂涂层膜(CCM)、GDE和框架组成，如图1b所示。

2.2模型和假设

本研究着重于膜上的应力在组装过程中对框架的影响,1 MPa制服夹持负载应用于顶架表面,更换螺栓。不考虑温度和湿度的影响。有两个主要组件有限元分析模型中,两个框架和一个膜。商业有限元代码用于数值模拟的MEA功能。框架造成的压力问题可以归结到平面应变问题和类似的假设也采用了[7]。广义平面应变单元PLANE182四个节点的选择更加准确地估计垂直应力在二维的模型中。这元素有可塑性、超弹性、应力钢化、大挠度等功能。这些特性的平面182适合模型的各种材料类型显示在表1。采用映射网格的超过7000。压力影响GDE两侧膜类似于上面的和下面的框架结构。在这个研究忽略了GDE的影响。图2显示了MEA的横截面(没有GDE)与框架对齐。膜在顶架和下面的框架之间。

如图2所示, 有两个终端接口在(框架/膜的技术部分)膜的界面1号接口和2号接口。统一负载应用在夹紧的框架上。y方向约束是对下面的框架的底部。对称约束应用于端截面极右膜,如图2所示。y方向约束是对下面的框架的底部。

图3显示了另一种MEA(没有GDE)的装配结构和约束条件都是一样的,如图2所示。应该注意的是,在图2和图3膜的厚度和框架分别是相同的。一致的框架总成(AFA)和加强框架总成(SFA)通常广泛用于质子交换膜燃料电池。
在这项研究中,框架和膜之间的接触方式是赤裸的接触和纽带接触(不允许滑动)处理接触有限元分析中对操作和胶[7]。框架之间的联系和CCM,基于两种不同的接触模型是建立在实际装配情况联系。框架之间的联系和CCM,两个不同的接触模型构建基于实际装配情况联系。传统的“表面接触”模型用CONTA172 TARGE169创建于框架和膜之间的界面[8]。非线性hyper-elastic模型用于橡胶材料(即Mooney-Rivlin model)进行分类。

不考虑蠕变，假定的压力完全在表面完全被传输。催化层比膜更薄一个数量级,因而可以忽略其机械现象影响(例如,催化层集成到GDE等)。这个假设也经常被使用 [9, 10]。

2.3几何和材料特性

膜电极有一个复杂的三维结构(图1b)。然而,本文使用的是一个二维(2d)方法。由于应力集中产生在MEA 平面的垂直方向，厚度比MEA 平面方向更薄。另一方面,MEA是常规的结构和中心对称的二维物理模型代表的横截面是可以用来分析应力分布。部分尺寸和材料参数用于本研究定义在表1分析了几种不同的框架材料。

表1 MEA组件的材料参数

弹性模量E(M Pa)

泊松比 nu;

密q(kg m–3)

厚度 t (m)

全氟磺酸莫 [3]

190(300 K,35%RH)

0.25

2000

5times;10–4

框架1(复合材料)

60,000

0.3

2540

1.5times;10–4

框架2(复合材料)

24,500

0.3

2000

1.5times;10–4

框架3(大分子分类)

3,600

0.38

1200

1.5times;10–4

框架4(聚合物分类)

550

0.46

930

1.5times;10–4

框架5(聚合物分类)

200

0.25

1900

1.5times;10–4

框架6(聚合物分类)

190

0.25

2000

1.5times;10–4

框架7(橡胶分类)[21]

17

0.47

1300

1.5times;10–4

表2是表1中分类材料的框架的详细信息。这些材料的选择是根据公布的专利,文学和公司的产品包括膜电极框架[11–20]。其他参数如下：CCM的宽度是6㎜在图2模型如图3和9㎜；和图2中的框架模型的宽度都是3㎜,然而,在图3中顶架的宽度是3㎜和下面的一个6㎜。

表2对表1中框架材料分类的详细说明

复合材料

弹性模量(M Pa): 800 – 72000 泊松比:0.22-0.46 材料例子:不同比例的纺织玻璃纤维和聚四氟乙烯，环氧树脂等。

大分子材料

弹性模量(M Pa):1,800–6900 泊松比:0.15-0.5 材料实例:高分子量聚乙烯聚酰亚胺等。

高分子材料

弹性模量(M Pa):120-4140 泊松比:0.2-0.49 材料实例:聚四氟乙烯薄膜、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚萘酯(PEN)、硅胶、全氟等。

橡胶材料

弹性模量(M Pa):7.84-21 泊松比:0.45-0.5 材料例子:乙丙二烯(EPDM)，硅橡胶，et。

3.结果

正如上面提到的,7种框架材料力学参数不同,两个框架结构和组装模式考虑数量的压力对膜的影响。

3.1一致的框架总成

图4显示了由有限元分析中的接触对产生的框架和膜之间的接触模式和AFA膜。如图4所示,两框架之间的接口和膜说明强大的压力集中在界面比接口1号2号。压力降低浓度的降低弹性模块的框架,除了7号框架。前三框架(1 - 3号)和千级模块生成但类似压力递减浓度(asymp;2.2MPa)界面下2号1MPa制服夹持负载。
随后由于弹性膜模块两框架的影响大大降低。然而, 7号在两个接口框架的应力影响似乎跟这种趋势相反甚至有最低弹性模块。最大的冯米塞斯应力在界面2号(4.76MPa)是显示在图4。

在图4中显示剪切应力明显的应力极中在2号界面,但沉闷的剪切应力在1号界面 (除了框架7号的特殊网格弹性模块)。由于大变形,两种不同材料之间的撕裂可能导致一个明显的剪切应力。

图5显示了另一种组装MEA -纽带接触模式。值得注意的是,有应 集中位于两个接口,类似于上述的赤裸接触模式的趋势。与1号接口比2号接口显示了更重要的冯米塞斯应力集中，由于应力集中可能导致膜的失效和阳极和阴极反应物的混合，因此应该更要注意2号接口。冯米塞斯应力在2号界面随着弹性模块的框架从60000到190MPa逐渐减少的不显眼。5号框架和6号框架受本研究膜上的最小压力,这意味着在两个接口没有集中应力。7号框架的应力影响似乎与上述趋势相反,平均冯米塞斯应力,是组装膜上的负载压力从1号接口道2号接口时的1.5倍。由于橡胶的低弹性模块,大变形导致一个更大的平均应力膜。

2号界面纽带联系AFA 剪切应力的值高于赤裸联系AFA 。很明显,随着弹性模块的减少剪切应力增加从1号框架到7号,而最高的剪切应力约为0.37MPa。由此可知，框架越柔和越容易形成不期望的界面剪切集中应力。

3.2阶梯框架组件

不同的框架材料对膜的影响似乎很小, SFA 结构减小结构框架对物质支配的依赖。两个接口的冯米塞斯应力是光滑的。图6显示了冯米塞斯应力和剪切应力膜采用裸接触装配SFA的框架和膜之间的行为。不同的框架材料的应力曲线几乎是相同的,在两个接口可以观察到可以忽略不计应力集中。观察图6显示的2号接口，其剪应力lt; 2KPa，这意味由于阶梯框架组件产生较小的剪切应力影响。

图7显示由于SFA的纽带接触框架和膜之间的接触，弹性模块框架材料从60000减少到17MPa时膜上的完全应力曲线。膜中的冯米塞斯应力与上述相似（即裸接触组装行为）。然而，图7所示的剪应力与图6所示的裸接点装配行为明显不同，最高剪应力的位置在2号界面上偏左一点。剪切应力值为0.02MPa，在装配过程中不能考虑。

4．讨论

许多专利在质子交换膜燃料电池的MEA上使用不同材料的框架来宣布它们的组装行为[ 22 ]。然而，很少有研究集中在框架的应力效应上。当框架材料和装配结构受到不适当的屏蔽时，界面处容易出现膜裂或孔洞。显然，在循环应力等于或小于1.5MPa [ 23 ]的情况下，薄膜是非常稳定的，几乎没有尺寸变化。因此，夹紧压力应在1.5MPa以下。本文研究了在1MPa均匀夹紧压力下两个框架的MEA，揭示了框架与膜之间的界面应力集中，以引起设计者的注意。框架材料和结构都影响膜的应力分布。

这里给出的主要结果是：

  1. 在电池装配过程中，框架/膜（1号和2号接口）端缘膜中存在应力集中现象。
  2. 框架材料筛选、框架结构和接触方式影响膜的应力集中
  3. 框架材料的力学性能接近于膜，并使框架的应力集

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