【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢燃料电池，尤其是涉及一种具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构及设计方法。
技术介绍
1、超薄柔性金属极板、多层聚合物膜电极以及精密装配密封件是氢燃料电池单体的核心组件，大功率质子交换膜燃料电池通常由400-500个单电池堆叠装配而成，以满足车用大功率动力需求。在精确压缩率下，超薄金属极板与膜电极框架共同压缩密封件，形成足够的接触应力和接触面积以实现刚-柔异质复杂界面接触静密封。
2、现有的密封结构主要有两种：(1)使用模具加工预制或者涂胶形成的阴阳分离式密封结构；(2)使用模具注胶形成的膜电极边框一体密封结构。上述结构中的密封件一般采用电绝缘性橡胶状弹性高分子材料并依靠外载长期压缩来产生足够的界面弹性接触应力和接触面积从而形成稳定的密封，容易致使处于燃料电池内部复杂环境中的压缩密封件应力松弛，造成气密性下降，从而影响电堆的正常使用。中国专利cn111224127a提出了多道材料制成的内外芯密封结构来缓解应力松弛的问题，但是所述结构只适用于形状简单的圆形截面密封结构，且其密封性能较差。
3、此外，制造过程中不可避免的装配偏差也会使得密封件的局部区域出现较大的应力松弛，甚至较大的装配偏差可能还会产生漏点。一般的，超薄金属极板上冲压有放置密封件的密封槽。为了避免压缩后的密封件过度挤压破坏密封槽侧壁，密封件的宽度必须小于密封槽的宽度。由于存在不可避免的装配误差，密封件很难贴合于理论位置。这使得膜电极两侧密封件的实际接触面积小于理论面积，进而降低燃料电池的气密性，同时还会进一步加重密封件表面接触
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的难以同时解决密封件装配偏差问题和保证密封件密封性能，以减缓密封件应力松弛速度的缺陷而提供一种具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构及设计方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、根据本专利技术的第一方面，提供一种具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，包括阳极板、阴极板、膜电极组件和密封件，所述阳极板和所述阴极板分别包括多个流体腔口，所述阳极板边缘的周向、所述阴极板边缘的周向、每个流体腔口的周向均设有密封凹槽，各密封凹槽之间互不连通，所述阳极板上各密封凹槽与所述阴极板上各密封凹槽的位置逐一对应，所述密封件与所述密封凹槽内壁接触，所述阳极板与所述阴极板对应位置的密封件互相连接，所述膜电极组件卡接于两极板密封件的连接处。
4、作为优选的技术方案，所述密封凹槽包括槽底和槽壁，所述密封件与对应位置的槽底紧密贴合，贴合区域的宽度小于所述槽底的宽度。
5、作为优选的技术方案，所述密封件靠近所述膜电极组件的一侧包括凸出部，所述凸出部的外端面与所述槽壁紧密贴合。
6、作为优选的技术方案，所述凸出部、所述槽底和所述槽壁围成空腔。
7、作为优选的技术方案，所述密封件为电绝缘性橡胶状弹性高分子材料制成的垫圈。
8、作为优选的技术方案，所述阳极板和所述阴极板均包括氧气进气腔口、冷却进水腔口、氢气进气腔口、氧气排气腔口、冷却排水腔口、氢气排气腔口。
9、作为优选的技术方案，所述膜电极组件包括设有电极层的膜电极框架和夹于所述膜电极框架之间的膜-电极复合体，所述连接处设有卡槽，所述膜电极框架端部嵌合于所述卡槽中。
10、作为优选的技术方案，所述卡槽高度等于所述膜电极框架厚度。
11、根据本专利技术的第二方面，提供一种应用于所述结构的设计方法，包括以下步骤：
12、s1，获取压缩仿真参数，所述压缩仿真参数包括材料模型、几何模型和边界条件，所述材料模型包括高分子材料、质子交换膜框架和金属双极板的本构模型，所述几何模型包括双极板几何模型、密封件几何模型，所述边界条件包括压缩载荷、接触界面摩擦系数、内外气压和初始空腔气压；
13、s2，将所述几何模型离散化，并进行压缩仿真，得到在压缩状态下密封件与密封凹槽内壁接触面的接触应力与接触面积，并获取当前的接触宽度和接触长度；
14、s3，获取所述接触面的表面粗糙度、气体温度、气体摩尔质量和密封系数，结合当前的接触应力、密封件两侧压力差、接触宽度和接触长度，利用泄漏率预测模型计算所述接触面的泄漏率和空腔气压；
15、s4，判断当前的空腔气压是否满足停止条件，若为否，则返回所述s2，若为是，则执行s5；
16、s5，判断当前的泄漏率是否满足预设的设计要求时，若为否，则调整接触宽度返回所述s2，若为是，则输出当前的泄漏率和当前的空腔气压，并基于对应的参数设计燃料电池密封结构。
17、作为优选的技术方案，所述泄漏率预测模型为罗斯模型。
18、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
19、1、本专利技术提出的燃料电池密封结构中，阳极板和阴极板的对应位置上均设有多个流体腔口，流体腔口的周向和两极板的周向均设有密封凹槽，密封件与密封凹槽内壁接触，并且两极板对应位置的密封件互相连接、一体成型，相较于传统的分离式阴、阳密封件设计，一体包边的结构从根源上解决了分离式密封件的层内装配偏差问题，有效降低层内密封件不对中导致的应力分布不均匀，提高燃料电池密封性能及使用寿命；
20、2、本专利技术采用密封件与对应位置的密封凹槽槽底紧密贴合，贴合区域的宽度小于密封凹槽槽底宽度的结构，并且密封件的高气压侧包括凸出部，凸出部的外端面与密封凹槽槽壁紧密贴合，能够使得在外部压缩载荷的作用下，密封件与阴阳两极板密封凹槽槽底、槽壁形成第一密封面和第二密封面，外部压缩载荷作用时，密封件的高度减小、宽度增加，同时凸出部与槽壁之间形成一定的预压缩，由第一密封面和第二密封面共同形成的多道密封能够有效提高燃料电池的气密性；
21、3、本专利技术采用的凸出部外端面与槽壁紧密贴合，使得带有密封件包边的膜电极组件在置入阴、阳极板的过程中，密封件的装配精度不会受到密封件和密封凹槽之间存在的宽度差的影响，能够降低密封件的层间装配误差，有效提高了燃料电池电堆的气密性；
22、4、本专利技术中，凸出部、密封凹槽槽底和密封凹槽槽壁围成空腔，该空腔位于流场区域和外部环境之间，气压值也处于流场区域的气压值和外部环境的气压值之间，在压力差的作用下，凸出部受到朝向槽底的气压压力，使得其外端面与密封凹槽槽壁之间形成更加紧密的贴合，使二者之间的密封面具有随气压波动的自密封效果，即仅当燃料电池工作时，燃料电池内部气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，包括阳极板、阴极板、膜电极组件和密封件，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板分别包括多个流体腔口，所述阳极板边缘的周向、所述阴极板边缘的周向、每个流体腔口的周向均设有密封凹槽，各密封凹槽之间互不连通，所述阳极板上各密封凹槽与所述阴极板上各密封凹槽的位置逐一对应，所述密封件与所述密封凹槽内壁接触，所述阳极板与所述阴极板对应位置的密封件互相连接，所述膜电极组件卡接于两极板密封件的连接处。
2.根据权利要求1所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述密封凹槽包括槽底和槽壁，所述密封件与对应位置的槽底紧密贴合，贴合区域的宽度小于所述槽底的宽度。
3.根据权利要求2所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述密封件靠近所述膜电极组件的一侧包括凸出部，所述凸出部的外端面与所述槽壁紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述凸出部、所述槽底和所述槽壁围成空腔。
5.根据权利要求1所述的具有环状空腔和定位凸起的
6.根据权利要求1所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板均包括氧气进气腔口、冷却进水腔口、氢气进气腔口、氧气排气腔口、冷却排水腔口、氢气排气腔口。
7.根据权利要求1所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述膜电极组件包括设有电极层的膜电极框架和夹于所述膜电极框架之间的膜-电极复合体，所述连接处设有卡槽，所述膜电极框架端部嵌合于所述卡槽中。
8.根据权利要求7所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述卡槽高度等于所述膜电极框架厚度。
9.一种应用于如权利要求1-8任一所述结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述泄漏率预测模型为罗斯模型。
...【技术特征摘要】
1.一种具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，包括阳极板、阴极板、膜电极组件和密封件，其特征在于，所述阳极板和所述阴极板分别包括多个流体腔口，所述阳极板边缘的周向、所述阴极板边缘的周向、每个流体腔口的周向均设有密封凹槽，各密封凹槽之间互不连通，所述阳极板上各密封凹槽与所述阴极板上各密封凹槽的位置逐一对应，所述密封件与所述密封凹槽内壁接触，所述阳极板与所述阴极板对应位置的密封件互相连接，所述膜电极组件卡接于两极板密封件的连接处。
2.根据权利要求1所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述密封凹槽包括槽底和槽壁，所述密封件与对应位置的槽底紧密贴合，贴合区域的宽度小于所述槽底的宽度。
3.根据权利要求2所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述密封件靠近所述膜电极组件的一侧包括凸出部，所述凸出部的外端面与所述槽壁紧密贴合。
4.根据权利要求3所述的具有环状空腔和定位凸起的燃料电池密封结构，其特征在于，所述凸出部、所述槽底和所述槽壁围成空...
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