[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池堆系统封装技术领域，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。

背景技术

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(Clamping Force)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1000℃，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。

发明内容

本发明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。本发明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。本发明还针对质子交换膜(ProtonExchange 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。本发明主要以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。

本发明具体内容如下：

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，本发明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：

k=E·Al---(1)]]>

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，如图(2)所示。根据力学模型，电池堆的整体封装等效刚度为：