一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法技术

本发明专利技术属于燃料电池堆封装技术领域，提供一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，在双极板上加工凸台结构，让其承受部分的封装力与外部动载荷的作用。使更多的电池惯性力由强度较高的双极板承担，从而减小电池内组件上循环应力的幅值，延长其使用寿命。通过这样的双极板凸台结构分力设计，可以很好起到保护膜电极与密封件的作用。而利用本发明专利技术提出的等效刚度‐质量模型，可以高效的分析PEMFC结构应力，从而可以高效完成凸台等结构的设计。

A structural design method for improving the pressure distribution in fuel cell reactor

The invention belongs to the field of fuel cell stack packaging technology, providing a structural design method for improving the pressure distribution in fuel cell stack, and processing the boss structure on the bipolar plate, so that it can bear part of the encapsulation force and the external dynamic load. More battery inertia forces are borne by the bipolar plate with higher strength, thus reducing the amplitude of the cyclic stress on the battery assembly and prolonging its service life. Through the separation design of the bipolar plate protruding structure, the protective film electrode and the sealing part can be well protected. Using the equivalent stiffness - quality model can analyze the structure of PEMFC effective stress, which can efficiently complete the structure design of the boss.

【技术实现步骤摘要】
一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法
本专利技术属于燃料电池堆封装
，涉及一种改善电池堆内组件在封装力和动载荷作用下的压力分布的结构设计方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，下简称PEMFC)作为一种高效、清洁的能源设备，在航空航天、运载交通和移动便携设备等诸多领域具有良好的应用前景。电堆的结构、封装方式以及外界动载荷的作用都决定着电池组件的受力状况，进而影响着电堆在服役中的性能。车用电堆在封装、运输和服役中不可避免地经受动载荷，这会引起电堆性能衰退甚至导致电堆结构损伤破坏。在服役中，即使动载荷未达到使组件直接发生强度破坏的程度，电堆结构也可能因为长期的循环应力而出现组件的疲劳损伤问题，造成耐久性低、寿命短，这是车用电堆面临的关键问题。而电堆的结构设计对组件的疲劳受命有至关重要的影响。另外，封装力(ClampingForce)是影响PEMFC工作效率的重要因素：封装力过小会导致电池内接触电阻过大、易泄漏而封装力过大会引起组件的塑性变形甚至破坏。PEMFC结构具有多尺度的几何特征，其封装的研究又是复杂的多因素耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，其特征在于以下步骤：第一步，测量电池初始结构参数，并获得电池的服役工况；通过封装力作用下的静载实验，得到膜电极与密封件上的最佳应力；通过动载实验得到膜电极与密封件在动载荷加速度作用下的循环应力幅值；第二步，根据第一步的得到电池结构的测量参数，建立参数化的等效刚度‑质量模型2.1)建立模型时，先将电池基本组件组成单电池的等效刚度‑质量模型，电池基本组件包括双极板、膜电极和密封件；根据公式(1)计算基本组件的刚度，公式(1)如下：

【技术特征摘要】
1.一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，其特征在于以下步骤：第一步，测量电池初始结构参数，并获得电池的服役工况；通过封装力作用下的静载实验，得到膜电极与密封件上的最佳应力；通过动载实验得到膜电极与密封件在动载荷加速度作用下的循环应力幅值；第二步，根据第一步的得到电池结构的测量参数，建立参数化的等效刚度-质量模型2.1)建立模型时，先将电池基本组件组成单电池的等效刚度-质量模型，电池基本组件包括双极板、膜电极和密封件；根据公式(1)计算基本组件的刚度，公式(1)如下：其中，kcomponent表示组件的等效刚度，Ecomponent、Acomponent和tcomponent分别表示组件材料弹性模量、组件在封装载荷方向上的截面积和厚度；2.2)将双极板划分为四个区域，分别为密封区域6、肋区域7、基板区域5和凸台区域2，凸台区域2设于密封区域6上方，密封区域6围绕于基板区域5与密封件接触，基板区域5上设置多条平行的肋组成肋区域7；相应的，单电池分为三个区域，分别是密封区域、内部区域和外部区域；其中，密封区域由密封件和密封区域6串联组成，内部区域是电化学反应的区域，由膜电极、肋区域7、基板区域5串联组成，外部区域由凸台区域2组成；单电池的三部分区域的等效刚度分别通过以下公式计算得到：其中，kCell-sealant、kCell-internal和kCell-external分别是单电池密封区域、内部区域和外部区域的等效刚度；kBP-sealant、krib、kBP-base和kBP-boss分别是双极板划分的密封区域6、肋区域7、基板区域5和凸台区域2的等效刚度；ksealant与kMEA分别是密封件与膜组件的等效刚度；Nrib表示双极板上流道肋的数量；单电池的总刚度kCell为：kcell＝kCell-sealant+kCell-internal+kCell-external(5)单电池的等效质量为组成单电池的各组件的总质量，记作mCell；在动载作用下单电池变形为：其中，a是动载荷加速度幅值；Fclampi...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴承伟，刘博，王佳庆，刘丽芳，张伟，马国军，吕永涛，马建立，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21