一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法技术

本发明专利技术涉及一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，包括以下步骤：1)通过G

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池密封检测领域，尤其是涉及一种计及密封界面随机表面形貌特点和微观尺度下密封件压缩及气体流动原理的氢燃料电池泄漏率计算及预测方法。

技术介绍

[0002]随着环境污染、能源安全等问题日益严重，找到化石燃料的替代能源已经迫在眉睫，氢能以其高效、清洁、经济、安全等特点被人们视作为“未来能源”，燃料电池是释放氢能的主要场所，是将内能转化成电能的发生装置；其是继水力发电、热能发电、原子能发电之后的第四大发电技术，更被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电方式。
[0003]氢燃料电池以较高的功率密度和能量转化效率、较为合适的工作温度，而被广泛应用，氢燃料电池工作时对内部环境要求极高，包括：反应气体应保持在适当的压力范围内；阳极气体与阴极气体不应发生内泄互窜；反应空间内不能存在杂质等。
[0004]泄漏影响着整个氢燃料电堆的性能和安全性，是判断电堆是否可以安全有效工作的重要指标，作为氢燃料电池必不可少的反应气体，氢气有着分子结构小、质量轻、性质活泼等特点，一旦发生泄漏，氢气会从反应空间快速流失，氢燃料电池阳极气体压力迅速降低，电堆效率降低直至失效；并且氢气具有很强的易燃易爆性，其泄漏流出后很可能成为燃烧、爆炸等危害的起始原点，直接危害着生产安全。
[0005]氢燃料电池单体具有“大电流、小电压”的输出特性，为了使其能够满足实际工程使用，一般将300
‑
500个单体电池串联起来形成电堆，对于整堆系统，其串联特性决定了任何一个部件出现问题，整堆的电效率都会大幅降低甚至失效停机，而一个氢燃料电池电堆中存在着数百上千个密封面，由任何一个密封面出现泄漏或内窜都会严重影响整堆电效率，甚至引起起火爆炸等恶性安全事故。
[0006]综上所述可以看出，对氢燃料电池的密封性能进行预测尤为重要，然而在氢燃料电池中，受变化的外部载荷(如封装力、温度、振动等)的影响，电池的密封状态很不稳定，气体泄漏通道的形状、大小等参数变得难以预测，使得氢燃料电池泄漏率模型的准确度大幅降低。
[0007]工业生产中，采用专门的检漏设备对氢燃料电池的整堆泄漏率进行测量，这些检漏设备一般重量重、体积大，只能固定在某处，当氢燃料电堆在实际使用中发生泄漏时难以实时实地进行检漏工作；其次，想要得到准确的泄漏率，必须保证电堆和检漏设备同时长时间正常运行，周期长、易被外界因素干扰；再之，对氢燃料电池泄漏率进行实测时，检漏设备要搭配供气、加湿、冷却、防尘、后处理等系统共同工作，全套系统结构冗杂、关联难度大、制造成本高、维护性差，特别是当氢燃料电堆的工作条件不稳定、外部载荷发生较大变化时，这种传统检漏系统所具有的柔性差、效率低的不足将会愈加明显，并且这种对于氢燃料电池整堆的测漏方法，无法具体识别泄漏点，更无法从实用和安全的角度对泄漏率进行预测和控制。
[0008]理论研究中，当前氢燃料电池密封泄漏率计算模型主要来源于传统机械密封泄漏
理论，其中平行平板间隙流动理论、表面分形理论、Persson粗糙表面渗透理论、格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)和Greenwood
‑
Williamson(以下简称G
‑
W)随机接触表面接触模型等几种较为常用，通过氢燃料电池泄漏率理论预测模型，能够得到不同工况和时间点下的泄漏率，相比于工程中的实测方法，理论计算法周期短、成本低且便于更换边界条件灵活实施，但上述氢燃料电池泄漏计算模型对泄漏率的预测结果差别较大，无法统一，并且泄漏率计算模型大多由数学方法推导而出，其与宏观方法间的联系不够紧密，最重要的是，工程中采用的宏观泄漏率测量方法和理论模型的微观计算结果间存在着巨大的尺度差异，二者难以契合，相互验证困难。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计及随机表面形貌的氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法。
[0010]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0011]一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，包括以下步骤：
[0012]1)通过G
‑
W表面形貌描述模型建立具有随机特征的氢燃料电池密封界面微观接触副模型；
[0013]2)对氢燃料电池密封界面微观接触副模型进行密封压缩数值模拟实验，以模拟氢燃料电池装配过程中密封件所受预紧载荷和压缩状态，并由此获取密封压缩数值模拟实验后接触副之间的微观间隙，即流体泄漏域；
[0014]3)对流体泄漏域进行气体流动泄漏模拟实验，模拟氢燃料电池密封界面的气体泄漏，获取氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量。
[0015]所述的步骤1)中，对氢燃料电池密封接触部件表面进行微观结构观测，获取微观表面结构形貌特征，并通过G
‑
W表面形貌描述模型将表面微观结构形貌特征量化为具体参数，并根据具体参数建立具有随机表面粗糙结构的氢燃料电池密封界面微观接触副。
[0016]所述具体参数包括粗糙峰半径r、粗糙峰高度h、粗糙峰高度h对应的正态分布标准差σ以及粗糙峰密度D。
[0017]所述的步骤2)中，在密封压缩数值模拟实验中，使得载荷恰好将氢燃料电池密封界面微观接触副的密封件接触面和双极板密封面基体接触，以逼近氢燃料电池密封件真实受压密封状态。
[0018]氢燃料电池密封界面微观接触副在进行密封压缩数值模拟实验后，接触副之间的微观间隙则为氢燃料电池密封界面气体泄漏通道，即流体泄漏域。
[0019]所述的步骤3)中，对流体泄漏域施加流体边界载荷，进行流体泄漏域气体微观流动有限元模拟，获取氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量。
[0020]所述的氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量由泄漏出口的气体流出质量Q表示，则有：
[0021][0022]其中，Q
i
为第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体泄漏量，n为单元总数。
[0023]所述的第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体泄漏量Q
i
的计算式为：
[0024]Q
i
＝ρ
M
·
A
i
·
v
i
[0025]其中，ρ
M
为气体流量密度，A
i
为第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的面积，v
i
为第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体流速。
[0026]所述的第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的面积A
i
的表达式为：
[0027]A
i
＝∫
0l
[f(v
i+1
)
‑
f(v
i
)]dv
[0028][0029]其中，f(v)为气体流速等值线在气体出口上的曲线表达式，l、h分别为气体出口的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过G
‑
W表面形貌描述模型建立具有随机特征的氢燃料电池密封界面微观接触副模型；2)对氢燃料电池密封界面微观接触副模型进行密封压缩数值模拟实验，以模拟氢燃料电池装配过程中密封件所受预紧载荷和压缩状态，并由此获取密封压缩数值模拟实验后接触副之间的微观间隙，即流体泄漏域；3)对流体泄漏域进行气体流动泄漏模拟实验，模拟氢燃料电池密封界面的气体泄漏，获取氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量。2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，其特征在于，所述的步骤1)中，对氢燃料电池密封接触部件表面进行微观结构观测，获取微观表面结构形貌特征，并通过G
‑
W表面形貌描述模型将表面微观结构形貌特征量化为具体参数，并根据具体参数建立具有随机表面粗糙结构的氢燃料电池密封界面微观接触副。3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，其特征在于，所述具体参数包括粗糙峰半径r、粗糙峰高度h、粗糙峰高度h对应的正态分布标准差σ以及粗糙峰密度D。4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，其特征在于，所述的步骤2)中，在密封压缩数值模拟实验中，使得载荷恰好将氢燃料电池密封界面微观接触副的密封件接触面和双极板密封面基体接触，以逼近氢燃料电池密封件真实受压密封状态。5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，其特征在于，氢燃料电池密封界面微观接触副在进行密封压缩数值模拟实验后，接触副之间的微观间隙则为氢燃料电池密封界面气体泄漏通道，即流体泄漏域。6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，其特征在于，所述的步骤3)中，对流体泄漏域施加流体边界载荷，进行流体泄漏域气体微观流动有限元模拟，获取氢燃...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文峰，杨震，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：