[發明專利]一種改善燃料電池堆內壓力分布的結構設計方法

有效

• 申請號: 201711004798.7
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107819138B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）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）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;H01M8/0276;H01M8/2404
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發明屬于燃料電池堆封裝技術領域，提供一種改善燃料電池堆內壓力分布的結構設計方法，在雙極板上加工凸臺結構，讓其承受部分的封裝力與外部動載荷的作用。使更多的電池慣性力由強度較高的雙極板承擔，從而減小電池內組件上循環應力的幅值，延長其使用壽命。通過這樣的雙極板凸臺結構分力設計，可以很好起到保護膜電極與密封件的作用。而利用本發明提出的等效剛度‐質量模型，可以高效的分析PEMFC結構應力，從而可以高效完成凸臺等結構的設計。

技術領域

本發明屬于燃料電池堆封裝技術領域，涉及一種改善電池堆內組件在封裝力和動載荷作用下的壓力分布的結構設計方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，下簡稱PEMFC)作為一種高效、清潔的能源設備，在航空航天、運載交通和移動便攜設備等諸多領域具有良好的應用前景。電堆的結構、封裝方式以及外界動載荷的作用都決定著電池組件的受力狀況，進而影響著電堆在服役中的性能。車用電堆在封裝、運輸和服役中不可避免地經受動載荷，這會引起電堆性能衰退甚至導致電堆結構損傷破壞。在服役中，即使動載荷未達到使組件直接發生強度破壞的程度，電堆結構也可能因為長期的循環應力而出現組件的疲勞損傷問題，造成耐久性低、壽命短，這是車用電堆面臨的關鍵問題。而電堆的結構設計對組件的疲勞受命有至關重要的影響。另外，封裝力(Clamping Force)是影響PEMFC工作效率的重要因素：封裝力過小會導致電池內接觸電阻過大、易泄漏而封裝力過大會引起組件的塑性變形甚至破壞。PEMFC結構具有多尺度的幾何特征，其封裝的研究又是復雜的多因素耦合的難題，求解難度較高。利用有限元法，為了達到足夠的分析精度，電池模型就需要數量龐大的有限元單，分析會占用巨大的計算資源。人們在結構設計中通常會依靠經驗或者反復做實驗，不僅耗費了大量資源，而且導致產品的研發周期更加漫長。這里，利用我們提出的等效剛度-質量模型(Equivalent Stiffness-Mass Model，簡稱“等效模型”)，可以高效的分析PEMFC結構應力，并在結構設計中綜合考慮封裝力與外部動載荷因素的影響。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種改善燃料電池堆內壓力分布的結構設計方法。本發明通過在燃料電池雙極板(Bipolar Plate，簡稱BP)上加工合適尺寸的凸臺結構，改善燃料電池在封裝后的服役過程中，內部核心組件膜電極的受力狀況。通過設計封裝力的大小、密封件與膜電極MEA的厚度，可以實現組件在封裝力作用時的壓力能在合理的范圍內。但在動載作用下，電池整體的慣性力主要由密封件與膜電極MEA承擔，較大的組件循環應力幅值易于導致疲勞損傷和壽命短的問題。因此本發明提出在BP上加工凸臺結構，讓其承受部分的封裝力與外部動載荷的作用。這時要適當增大施加的封裝力，讓MEA與密封件上受到的壓力保持不變。而當動載荷作用時，更多的電池慣性力可以由強度較高的BP承擔，即BP凸臺結構起到了限制MEA與密封件出現過大的變形，從而減小MEA與密封件組件上循環應力的幅值，也就減小了組件的疲勞損傷，延長使用壽命。由于BP材料的強度和彈性模量比MEA與密封件材料的大很多，這樣設計可以保證結構有較大的安全裕度。通過這樣的BP凸臺結構分力設計，可以很好起到保護MEA與密封件的作用。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種改善燃料電池堆內壓力分布的結構設計方法，包括以下步驟：

第一步，測量電池初始結構參數，并獲得電池的服役工況。通過封裝力作用下的靜載實驗，以膜電極MEA上接觸電阻、氣體擴散率、密封件氣密性以及組件強度為依據，得到膜電極MEA與密封件上的最佳應力。再通過動載實驗，測試膜電極MEA與密封件在動載荷加速度作用下的循環應力幅值。

第二步，根據第一步的得到電池結構的測量參數，建立參數化的等效剛度-質量模型，參數化的等效剛度-質量模型是將大型PEMFC簡化為由許多組彈簧和質點通過串聯或并聯組合在一起的力學模型。