[發(fā)明專利]一種改善燃料電池堆內(nèi)壓力分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711004798.7
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號(hào): CN107819138B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳承偉;劉博;王佳慶;劉麗芳;張偉;馬國軍;呂永濤;馬建立
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/0258
• 分類號(hào): H01M8/0258;H01M8/0276;H01M8/2404
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種改善燃料電池堆內(nèi)壓力分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于以下步驟：

第一步，測量電池初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，并獲得電池的服役工況；通過封裝力作用下的靜載實(shí)驗(yàn)，得到膜電極與密封件上的最佳應(yīng)力；通過動(dòng)載實(shí)驗(yàn)得到膜電極與密封件在動(dòng)載荷加速度作用下的循環(huán)應(yīng)力幅值；

第二步，根據(jù)第一步的得到電池結(jié)構(gòu)的測量參數(shù)，建立參數(shù)化的等效剛度-質(zhì)量模型

2.1)建立模型時(shí)，先將電池基本組件組成單電池的等效剛度-質(zhì)量模型，電池基本組件包括雙極板、膜電極和密封件；

根據(jù)公式(1)計(jì)算基本組件的剛度，公式(1)如下：

其中，k_component表示組件的等效剛度，E_component、A_component和t_component分別表示組件材料彈性模量、組件在封裝載荷方向上的截面積和厚度；

2.2)將雙極板劃分為四個(gè)區(qū)域，分別為密封區(qū)域(6)、肋區(qū)域(7)、基板區(qū)域(5)和凸臺(tái)區(qū)域(2)，凸臺(tái)區(qū)域(2)設(shè)于密封區(qū)域(6)上方，密封區(qū)域(6)圍繞于基板區(qū)域(5)與密封件接觸，基板區(qū)域(5)上設(shè)置多條平行的肋組成肋區(qū)域(7)；相應(yīng)的，單電池分為三個(gè)區(qū)域，分別是密封區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域；其中，密封區(qū)域由密封件和密封區(qū)域(6)串聯(lián)組成，內(nèi)部區(qū)域是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，由膜電極、肋區(qū)域(7)、基板區(qū)域(5)串聯(lián)組成，外部區(qū)域由凸臺(tái)區(qū)域(2)組成；

單電池的三部分區(qū)域的等效剛度分別通過以下公式計(jì)算得到：

其中，k_Cell-sealant、k_{Cell-internal}和k_{Cell-external}分別是單電池密封區(qū)域、內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域的等效剛度；k_BP-sealant、k_rib、k_BP-base和k_BP-boss分別是雙極板劃分的密封區(qū)域(6)、肋區(qū)域(7)、基板區(qū)域(5)和凸臺(tái)區(qū)域(2)的等效剛度；k_sealant與k_MEA分別是密封件與膜組件的等效剛度；N_rib表示雙極板上流道肋的數(shù)量；

單電池的總剛度k_Cell為：

k_cell＝k_Cell-sealant+k_{Cell-internal}+k_{Cell-external} (5)

單電池的等效質(zhì)量為組成單電池的各組件的總質(zhì)量，記作m_Cell；在動(dòng)載作用下單電池變形為：

其中，a是動(dòng)載荷加速度幅值；F_clamping是電池受到的封裝力；i表示單電池的編號(hào)；m_EP、m_insulator和m_collector分別是單電池端板、絕緣板和集電板的質(zhì)量；

膜組件、密封件和雙極板凸臺(tái)在動(dòng)載和封裝力作用下的循環(huán)應(yīng)力分別通過以下公式計(jì)算：

其中，Δt是膜組件與密封件的厚度差，通過改變封裝力與Δt調(diào)節(jié)膜組件與密封件上的壓力；t_boss是雙極板凸臺(tái)的厚度值，即凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量，通過增大t_boss使凸臺(tái)承擔(dān)更多的封裝力與動(dòng)載荷；

電池服役時(shí)，動(dòng)載荷加速度幅值不斷改變，導(dǎo)致組件上應(yīng)力值σ_component相應(yīng)的隨時(shí)間不斷變化；采用σ_component表示公式(7)-(9)中的和則每個(gè)組件在測試時(shí)間內(nèi)的循環(huán)應(yīng)力最大值和最小值分別由和表示，定義每個(gè)組件上循環(huán)應(yīng)力平均值和幅值如下：

其中，和分別是組件的循環(huán)應(yīng)力平均值與幅值，組件包括雙極板、膜電極和密封件；而對于雙極板BP，只需計(jì)算雙極板凸臺(tái)區(qū)域(2)的循環(huán)應(yīng)力平均值和幅值；

第三步，設(shè)定公式(9)中t_boss的取值，利用等效方法，由公式(1)-(10)計(jì)算得到在動(dòng)載和封裝力作用下的膜電極與密封件上的平均應(yīng)力，對比該平均應(yīng)力是否與第一步中實(shí)驗(yàn)測試的最佳應(yīng)力相一致：若兩者一致時(shí)，則進(jìn)行第四步；若兩者不一致，則改變公式(8)中的Δt和公式(6)中的F_clamping的取值，重新計(jì)算后至兩者一致；

第四步，根據(jù)公式(11)計(jì)算膜組件與密封件上的循環(huán)應(yīng)力幅值；對比第一步的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果判斷這兩個(gè)組件上的循環(huán)應(yīng)力幅值是否都減小30％以上；由公式(9)計(jì)算雙極板BP凸臺(tái)處應(yīng)力是否小于雙極板BP材料的屈服極限，判斷BP凸臺(tái)結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，判定凸臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)t_boss是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求：若未達(dá)到要求，則更改公式(9)中t_boss的取值并重復(fù)第二和第三步；若已達(dá)到要求，則完成雙極板凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善燃料電池堆內(nèi)壓力分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的第三步設(shè)定公式(9)中t_boss的初始值為密封件厚度的1/10。