一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法，其特征是利用力学理论将封装力作用下的燃料电池堆简化为等效刚度力学模型，导出封装件变形量与结构内部封装载荷的对应关系式，然后对封装后各部件产生温度变形的情况进行补充修正，最后按照具体设计要求确定最佳的电池堆封装参数。本发明专利技术还针对质子交换膜燃料电池堆封装前三合一膜电极与密封件不等厚的情况进行了补充。本发明专利技术从根本上克服了有限元方法计算量大、灵活性差、设计周期长的缺点，只需进行简单的测量和计算便可得到燃料电池堆在封装载荷方向上的等效刚度及结构内部封装载荷的分布，在保证封装精度的情况下能够极大减少计算耗费，缩短电池堆封装设计周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池堆系统封装
，尤其涉及到一种燃料电池堆封 装设计和预测其内部作用力的方法。
技术介绍
燃料电池(Fuel Cell)被誉为21世纪前50年最为理想的能源之一，有望在 未来成为移动、非移动能源的生力军。自上世纪60年代燃料电池真正走出实验 室进入商业化应用至今，如何提高其工作效率一直是世界各国科研工作者的研 究方向之一。人们发现，燃料电池堆系统封装力(ClampingForce)是影响其工 作效率的重要因素过小的封装力会使部件界面间接触电阻增大、密封层产生 泄露，过大的封装力则会使部件发生塑性变形甚至破坏。某些类型燃料电池， 如固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)，其工作温度可高 达IOO(TC，即使在室温条件下找到了最佳封装力，各组成部件在如此大的温差 下产生的温度变形同样会导致电堆封装失效。因此对燃料电池堆进行最佳结构 封装设计十分重要。从严格意义上讲，封装设计必须对燃料电池堆整体进行结 构"热力+机械"耦合非线性有限元分析，但电池堆复杂、多尺度的几何特性会 使计算模型的自由度达到几百万甚至更多，以现有的个人计算机乃至小型工作 站根本无法进行计算，人们只能依靠经验或者反复做实验来设计结构封装，不 仅耗费了大量资源，设计结果的正确性也得不到保证。到目前为止国际上还没 有发现一种方便实用的燃料电池堆系统结构封装设计技术。总而言之，迫切需 要一种行之有效的燃料电池堆系统结构封装设计方法
技术实现思路
本专利技术目的在于建立一种燃料电池堆结构封装设计方法，从根本上克服有 限元方法计算量大、灵活性差、设计周期长的缺点，使设计者只需进行简单的 测量和计算便可得到燃料电池堆在封装载荷方向上的等效刚度(下简称封装等 效刚度)及结构内部封装载荷的分布，大大提高设计效率，节省设计成本耗费。"刚度"是零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力，承受各种变形的弹性 件均可等效为力学弹簧模型，复杂的电池堆封装等效刚度同样可以视为各组成 部件等效刚度的组合。本专利技术核心是利用力学理论将封装力作用下的燃料电池 堆简化为等效刚度力学模型，导出封装件变形量与结构内部封装载荷的对应关 系式，然后对封装后各部件产生温度变形的情况进行补充修正，最后按照具体设计要求确定最佳的电池堆封装参数。本专利技术还针对质子交换膜(Proton Exchange Membrane,下简称PEM)燃料电池堆封装前三合一膜电极(MEA) 与密封件不等厚的情况进行了补充。本专利技术主要以PEM燃料电池堆结构为例， 同样适用于结构类似的其它板式燃料电池堆。本专利技术具体内容如下 1.燃料电池堆封装结构的等效力学模型力学模型可使用任意弹性件表征结构刚度值，本专利技术中使用弹簧来表征结 构刚度值。(1)将双极板划分为内、外两区域，二者在封装载荷方向上的等效刚度相 互独立。内部区域是燃料流动、电流产生和传递的区域，外部区域则是与密封 件的接触区域。进一步划分双极板内部区域，将所有循环出现的流场流道背脊 单独划出，剩余部分组成双极板基板区域。最终双极板由三部分区域组成，如 图(1)所示。双极板内部区域封装等效刚度为各流道背脊等效刚度并联后再与 基板区域等效刚度串联而成。(2)将燃料电池堆同样划分为内、外两区域，内部区域等效刚度为双极板 内部区域、阳极、电解质、阴极等效刚度串联而成；外部区域等效刚度为双极 板外部区域和密封件等效刚度串联而成。以上各部件的等效刚度用公式(1)求得五y4(1)其中A表示封装等效刚度值，E表示部件材料弹性模量，^表示部件在封 装载荷方向上的截面积，/表示部件在封装载荷方向上的厚度。(3)电池堆结构封装的力学弹簧模型最终等效为内外两区域等效刚度弹 簧均没有初始伸长量，其两端与端板连接，二者并联连接组成电池堆整体等效 刚度； 一侧端板固定，另一侧端板自由；封装件等效刚度弹簧一端与固定端板 相连，另一端与自由端板之间留有空隙，空隙大小表征封装件变形量，如图(2)所示。根据力学模型，电池堆的整体封装等效刚度为:A电池堆整体=A电池堆内部区域+ A电池堆外部区域(2)(4)封装时，封装力使封装件等效刚度弹簧伸长与自由端板相连，在端板 连接下，三者会进行力平衡和位移协调过程，可以得到电池堆内外区域的封装 位移量。封装结束后，整个燃料电池堆系统处于稳定状态，结构内部承受的封 装载荷分布可由此区域等效刚度与其封装位移量的乘积求得。具体为，令封装 件数目为C，封装件变形量为5 (矢量)，其中5在拉伸时取正值。封装后电池 堆内外区域承受封装载荷为f，电池堆内部区域=_&电池堆内部区域^^电池堆外部区域=-A电池堆外部区域'.c A封装件+ ^电池堆整体乂^.总封装件.^ C'^封装件十^电池堆整体乂(3)(4)上式中^表示载荷(矢量)，两区域承受封装载荷均为负值。2.对封装后各部件产生温度变形情况的补充修正封装后，处于稳定状态的燃料电池堆结构会限制部件的温度变形，因此在 结构内部会不可避免的出现温度应力。部件温度变形对结构封装的影响可以在 等效刚度模型基础上补充。自由状态下，部件在封装方向上产生的温度变形为zr = "r.Ar./ (5)其中c^表示部件的热膨胀系数，Ar表示部件的温度变化(矢量)，zr表 示部件的温度变形(矢量)。将部件温度变形按照等效刚度模型累加，分别得到自由状态下电池堆内外 部区域温度变形2T电池堆内部区域和zr电池堆外部区域，然后与封装件温度变形 zr封装件一^ft力口至U，效冈U度模Mi， it匕时 显^^z力与圭寸^载荷纟且^后会i新jt行力平衡与位移协调，结构产生新的温度变形量Z7^^^^^ ，如图G)所示。燃料电池堆再次进入稳定状态，结构内部承受的封装载荷分布可由此区域等效 刚度与其总封装位移量的乘积求得，具体为^^电池堆内部区域=^电池堆内部区域^电池堆外部区域二 A电池堆外部区域zj电池堆整体—T^"T IT zi电池堆内部区域 . l ^封装件+ ^电池堆整体 乂(6)C ■ %装件 5 7T 、z7电池堆整体—7T"^ 77 zj电池堆外部区域 . l k封装件+ k电池堆整体 乂(7)3.对封装前MEA与密封件不等厚情况的补充修正若封装前MEA厚度大于密封件厚度，此时等效刚度力学模型中外部区域弹 簧与固定端板应保留间隙，封装初期只有电池堆内部区域弹簧承受封装载荷； 当封装力加大到使间隙消除，也就是结构产生的封装位移与间隙相等时，电池堆内外区域才共同承受封装载荷。这种情况下内部区域承受的总封装载荷为其 等效刚度与电池堆总封装位移的乘积，外部区域承受的总封装载荷为其等效刚 度与电池堆总封装位移与间隙之差的乘积。若封装前密封件厚度大于MEA厚度，此时等效刚度力学模型中内部区域弹 簧与固定端板应保留间隙，封装初期只有电池堆外部区域弹簧承受封装载荷； 当封装力加大到使间隙消除，也就是结构产生的封装位移与间隙相等时，电池 堆内外区域才共同承受封装载荷。这种情况下内部区域承受的总封装载荷为其 等效刚度与电池堆总封装位移与间隙之差的乘积，外部区域承受的总封装载荷 为其等效刚度与电池堆总封装位移的乘积。本专利技术的封装设计方法从根本上建立起一套系统分析与结构分解燃料电池 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法，其特征在于：利用力学理论将封装力作用下的燃料电池堆简化为等效刚度力学模型，模型采用类似于弹簧的弹性件表示，导出封装件变形量与结构内部封装载荷的对应关系式，然后对封装后各部件产生温度变形的情况进行补充修正，最后按照具体设计要求确定最佳的电池堆封装参数；具体步骤如下：　（１）将双极板划分为内、外两区域，二者在封装载荷方向上的等效刚度相互独立；内部区域是燃料流动、电流产生和传递区域，外部区域则是与密封件接触区域；进一步划分双极板内部区域，将所有循环出现的流场流道背脊单独划出，剩余部分组成双极板基板区域；最终双极板由三部分区域组成；双极板内部区域封装等效刚度为各流道背脊等效刚度并联后再与基板区域等效刚度串联而成；　（２）将燃料电池堆划分为内、外两区域，内部区域等效刚度为双极板内部区域、阳极、电解质、阴极等效刚度串联而成；外部区域等效刚度为双极板外部区域和密封件等效刚度串联而成；　以上各部件的等效刚度用公式（１）求得：　ｋ＝Ｅ.Ａ／ｌ　其中ｋ表示封装等效刚度值，Ｅ表示部件材料弹性模量，Ａ表示部件在封装载荷方向上的截面积，ｌ表示部件在封装载荷方向上的厚度；　（３）电池堆结构封装的力学弹簧模型最终等效为：内外两区域等效刚度弹簧均没有初始伸长量，其两端与端板连接，二者并联连接组成电池堆整体等效刚度；一侧端板固定，另一侧端板自由；封装件等效刚度弹簧一端与固定端板相连，另一端与自由端板之间留有空隙，空隙大小表征封装件变形量；根据力学模型，电池堆的整体封装等效刚度为：　ｋ↓［电池堆整体］＝ｋ↓［电池堆内部区域］＋ｋ↓［电池堆外部区域］　（２）（４）封装时，封装力使封装件等效刚度弹簧伸长与自由端板相连，在端板连接下，得到电池堆内外区域的封装位移量；封装结束后，整个燃料电池堆系统处于稳定状态，结构内部承受的封装载荷分布可由此区域等效刚度与其封装位移量的乘积求得；具体为，令封装件数目为Ｃ，封装件变形量为δ（矢量），其中δ在拉伸时取正值；封装后电池堆内外区域承受封装载荷为：　＊＊＊　上式中Ｆ表示载荷（矢量），两区域承受封装载荷均为负值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴承伟，林鹏，周平，马国军，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]