CN107204481A - 一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法 - Google Patents
一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法，属于燃料电池堆系统封装技术领域，利用力学理论和可靠性理论对电池堆进行简化，依次确定出电堆内组件的可靠度随接触应力的变化规律，进而确定各组件的最佳接触应力，通过对电堆组件的尺寸和封装力进行设计，实现了提升电堆可靠度的目的。本发明方便快捷、灵活多变，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。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池堆系统封装技术领域，尤其涉及到一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法。
背景技术
环境污染和能源危机迫使各国政府和科研机构对燃料电池(Fuel cell)这类清洁高效能源的研发投入越来越大。燃料电池被公认为是新世纪最有前途的新型能源之一。为满足实际需求，将多级单层燃料电池封装形成电堆进行使用。由于每级单电池均包含多个组件，封装力的作用使组件之间产生接触应力，接触应力的存在会影响组件的性能。研究资料表明：过大的接触应力会导致组件发生塑性变形甚至破坏；过小的接触应力会造成组件间的接触电阻过大、密封性能差产生泄漏。这些都会导致电堆的可靠性较低，容易在使用过程中发生故障，导致电堆的性能达不到预期结果，因此确定组件可靠性随接触应力的变化规律，进而确定最优接触应力具有重大意义。但是目前鲜有相关研究，这是因为电堆包含组件数目巨大、计算量过大，相关的电堆封装研究中，各变量被当作固定值未考虑随机性。根据可靠性理论的概念，结构不可避免的受到各种各样外界因素的影响，因而具有随机性。
电堆的可靠性由各组件的可靠性共同决定，只有使各组件的可靠性同时达到较高水平才能保证电堆的可靠性处在较高水平。但是单纯的设计电堆封装力很难实现各组件上接触应力的协调，可能会导致某一组件性能很好，其他组件出现失效的现象。总而言之，迫切需要一种行之有效的对电堆进行可靠性设计的方法。
发明内容
本发明目的在于建立一种高可靠性大型燃料电池堆设计方法，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，弥补目前国内关于电堆可靠性设计领域的空白。利用该方法，设计者只需通过简单的测量和计算便可确定出各组件的最佳接触应力和使电堆维持最佳可靠性的封装力与组件结构。
本发明核心是利用可靠性理论，将分析中涉及到的各变量当作随机变量，以等效刚度力学模型和应力-强度分布干涉模型为工具，计算出各组件可靠性随接触应力的变化规律。然后根据实际应用在对产品可靠度等级的需求确定出组件最佳接触应力，最后按照可靠性的设计理念，对电堆的封装力和组件厚度进行设计，获得了使各组件分别处于最佳接触应力的封装力和组件厚度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法，高可靠性指电堆封装后可靠度能够达到0.9999。燃料电池堆由多级单电池周期性排列组成，所述的单电池的结构为：膜电极MEA位于单电池中部，密封件gasket包覆在膜电极MEA的边缘，膜电极MEA由两层气体扩散层GDL及其夹层质子交换膜PEM组成，双极板 BPP位于膜电极MEA的两侧。对燃料电池堆的核心反应区域-膜电极MEA、密封件gasket的厚度差进行设计。设计方法具体包括以下步骤：
第一步，根据组件强度准则确定强度分布
采用均值和变异系数(CV)表征组件强度的分布，假设组件的强度及涉及到的各变量服从高斯分布，其中组件强度为广义量，指组件正常工作所能承受的临界应力，由组件的性能指标和屈服极限决定，每一个组件上均存在强度上限和下限，组件的强度上限和下限即为强度的均值上限和下限。组件强度准则包括组件的性能指标和屈服极限。
结合各组件强度准则，确定不同组件上相应的强度上下限。组件gasket的强度上下限由材料的屈服极限和确保密封性能的最小密封压力决定；组件PEM 的强度上下限由材料的屈服极限和电堆内部反应气体的压强决定；组件GDL的强度上下限由渗透率和界面接触电阻决定。
第二步，利用等效刚度模型和均值一阶二次矩法，确定不同组件上的应力分布
2.1)利用等效刚度模型建立电堆组件的应力表达式，如下所示：
σMEA＝f(Ei,Ai,ti,F)i＝1,2,3,4 (1)
σgasket＝g(Ei,Ai,ti,F)i＝1,2,3,4 (2)
其中，Ei、Ai、ti、F为随机变量，分别代表各组件上的弹性模量、接触面积、组件厚度、双极板上的封装力；i代表组件编号，1、2、3和4分别代表PEM、 GDL、gasket和BPP。σMEA和σgasket分别为组件MEA与gasket的接触应力，由各组件的弹性模量、组件接触面积、组件厚度和封装力决定。
随机变量Ei、Ai、ti、F具有不确定性，其均值和变异系数由电堆型号和生产工艺决定；组件上的接触应力作为上述随机变量的某种函数组合，也具备随机变量的性质；接触应力由上述随机变量决定，在燃料电池堆的可靠性分析中，上述随机变量相当于直接变量，组件上的接触应力相当于间接变量，直接变量相当于函数中的自变量，间接变量相当于函数中的因变量。
2.2)利用均值一阶二次矩法，确定不同组件上的应力分布
已知各自变量的分布特征条件下，利用一阶二次矩法近似求得因变量的分布特征。采用工程上常用的正态分布假设，假设上述各随机变量服从正态分布，引入变异系数CV，计算接触应力的分布特征如下：
其中，μx,MEA，μx,gasket代表MEA与gasket上接触应力的均值；μF代表各组件上弹性模量、接触面积、厚度以及封装力的均值； CVF代表各组件上弹性模量、接触面积、厚度以及封装力的变异系数；CVMEA， CVgasket代表MEA与gasket上接触应力的变异系数，显然其数值是由各直接变量的均值和变异系数决定的。
在已知各直接变量的变异系数取值范围的情况下，根据上述方程(1-6)能够求出接触应力的变异系数的取值范围。
第三步，利用应力-强度分布干涉理论计算组件MEA和gasket的可靠度
根据组件的强度标准，结合应力-强度分布干涉理论，确定组件可靠度，如下所示：
其中，Rcomp代表组件的可靠度，Φ是高斯函数：与代表不同强度标准下组件的联结系数；与代表组件的强度上下限均值；μx,comp代表组件接触应力的均值；CVy和CVx分别代表组件强度和组件接触应力的变异系数。
由公式(7-9)能够确定组件可靠度随接触应力的变化规律，如图2所示。根据实际生产中对产品可靠度的要求，组件可靠度达到0.9999即可满足。据此确定各组件满足可靠度的接触应力区间，取该区间的中心值作为确保组件可靠性的最佳值。
第四步，对燃料电池堆进行可靠性设计
根据燃料电池堆的可靠度与组件可靠度的关系，电池堆系统获得最高可靠度需保证各组件可靠度同时达到最高。亦即，要确保封装后各组件分别处在最佳应力状态，也就是说要使组件上的接触应力相协调。
由组件MEA与gasket的厚度，得到gasket与MEA之间的厚度差δ，厚度差δ具体为gasket的厚度减MEA的厚度；
以厚度差δ和BPP上的封装力F为设计变量，根据等效刚度模型，建立电堆封装过程的力学方程(10-14)，对燃料电池堆进行可靠性设计，如图3所示，设计目标使封装后组件接触应力为最佳值。
F＝kint·(Δ-δ)+kext·Δ (10)
kint·(Δ-δ)＝μx,MEA·ABPP-MEA (11)
kext·Δ＝μx,gasket·Agasket (12)
其中，kint和kext分别代表电池内外部区域的等效刚度，如图4，具体数值由等效刚度模型计算得到；kMEA为膜电极等效刚度；kBPP-rib为双极板流道肋等效刚度；kBPP-base为双极板基板区域等效刚度。μx,MEA和μx,gasket分别代表MEA和 gasket上的最佳接触应力均值，其值为已知量。Agasket和ABPP-MEA分别代表gasket 的横截面面积和BPP与MEA之间的接触面积。Δ代表在封装过程中电池端板(假设为刚体)之间的总压缩量(未知量)，δ代表MEA与gasket之间的厚度差， F代表封装力。
本发明的高可靠性电池堆封装设计方法从根本上建立起一套系统分析与结构分解高可靠度燃料电池堆的封装设计技术，设计工作者只需将电池堆产品部件的外型尺寸和材料弹性模量代入模型公式，通过简单计算即可对不同工作环境下、不同型号燃料电池堆的进行高可靠度封装设计。
附图说明
图1为单电池1/2结构示意图；图中：1PEM；2GDL；3gasket；4BPP；5 MEA。
图2为不同组件可靠度随接触应力的变化规律图；(a)为PEM可靠度随接触应力的变化规律，图(b)为GDL可靠度随接触应力的变化规律，图(c) 为gasket可靠度随接触应力的变化规律；
图3为电堆封装可靠性设计示意图；6电池内部区域等效刚度kint；7电池外部等效刚度kext；
图4为电堆等效刚度模型示意图；图中：6电池内部区域等效刚度kint；7电池外部等效刚度kext；8与密封件接触区域处双极板等效刚度kBPP-gasket；9双极板基板区域等效刚度kBPP-base；10双极板流道肋等效刚度kBPP-rib；11膜电极等效刚度 kMEA。12密封件等效刚度kgasket。
图5为电堆系统可靠度随厚度差δ的变化示意图。
具体实施方式
以设计某型号质子交换膜燃料电池产品封装可靠性为例，本发明的具体实施方式为：
对质子交换膜燃料电池堆结构的核心反应区域-膜电极MEA和密封件 gasket的厚度差以及双极板上的封装力F进行设计。
1)结合各组件材料型号，利用本发明提出的组件强度准则确定各组件的强度极限。
2)利用本发明建立的公式(1-6)确定各组件的接触应力分布形式。
3)利用公式(7-9)确定各组件的可靠度随接触应力的变化规律，并根据实际产品的可靠度等级要求确定各组件的许用接触应力区间，取区间的中心值作为最佳接触应力。
4)测量各组成部件的外形尺寸和材料弹性模量，利用等效刚度模型得到各组件的等效刚度值。利用公式(10-14)确定使各组件接触应力相协调的MEA 与gasket的厚度差δ和封装力F。至此该型号电堆产品的可靠性分析与设计全部完成。
对比验算采用与前人计算结果相比较的方式。等效刚度模型的可行性，前人进行了验证：与有限元计算结果相比，尤其是整体结构等效刚度值相对误差在3％以下。对比前人研究结果发现：本方法以可靠性设计为标准获得的封装力 F在许用范围内，由此验证了该方法的可行性。同时对比了不同厚度差对电堆可靠度的影响，以50级、100级、200级电池堆为例，如图5所示，发现本方法获得的厚度差使电堆获得最高可靠度，偏离该厚度差时，电堆可靠度有不同程度的下降。该发明可以方便快捷地计算出使各组件维持最高可靠性水平的接触应力，通过设计组件厚度差和封装力实现了协调组件接触应力提升电堆可靠度的目的，为电堆结构的优化提供了思路。
本发明的具体实施方式在各方面应被视为例示性而非限制性实施例，适用于结构类似的其它板式燃料电池堆。所有的改变只要合乎本发明权利要求书所定义的范围或为其技术实施方式等效者，均应包含在本发明的保护范畴中。
Claims (2)
1.一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法，其特征在于，该设计方法中涉及的燃料电池堆由多级单电池周期性排列组成，对燃料电池堆的膜电极MEA、密封件gasket的厚度差进行设计；所述的单电池的结构为：膜电极MEA位于单电池中部，密封件gasket包覆在膜电极MEA的边缘，膜电极MEA由两层气体扩散层GDL及其夹层质子交换膜PEM组成，双极板BPP位于膜电极MEA的两侧；设计方法包括以下步骤：
第一步，根据组件强度准则确定强度分布
采用均值和变异系数CV表征组件强度的分布，假设组件的强度及涉及到的各变量服从高斯分布，组件的强度上限和下限即为强度的均值上限和下限，组件强度由组件强度准则决定，组件强度准则包括组件的性能指标和屈服极限；
根据各组件强度准则，确定不同组件的强度上下限；组件gasket的强度上下限由材料的屈服极限和确保密封性能的最小密封压力决定；组件PEM的强度上下限由材料的屈服极限和电堆内部反应气体的压强决定；组件GDL的强度上下限由渗透率和界面接触电阻决定；
第二步，根据等效刚度模型和均值一阶二次矩法，确定不同组件上的应力分布
2.1)利用等效刚度模型建立电堆组件的应力表达式，如下所示：
σMEA＝f(Ei,Ai,ti,F) i＝1,2,3,4 (1)
σgasket＝g(Ei,Ai,ti,F) i＝1,2,3,4 (2)
其中，Ei、Ai、ti、F为随机变量，分别代表各组件上的弹性模量、接触面积、组件厚度、双极板上的封装力；i代表组件编号，1、2、3和4分别代表PEM、GDL、gasket和BPP；σMEA和σgasket分别为组件MEA与gasket的接触应力，由各组件的弹性模量、组件接触面积、组件厚度和封装力决定；
随机变量Ei、Ai、ti、F具有不确定性，其均值和变异系数由电堆型号和生产工艺决定；组件上的接触应力由随机变量决定；在燃料电池堆的可靠性分析中，随机变量相当于直接变量，直接变量相当于函数中的自变量，接触应力相当于间接变量，间接变量相当于函数中的因变量；
2.2)利用均值一阶二次矩法，确定不同组件上的应力分布
已知各自变量的分布特征条件下，利用一阶二次矩法近似求得因变量的分布特征；假设各随机变量服从正态分布，引入变异系数CV，计算接触应力的分布特征，计算公式如下：
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在已知各直接变量的变异系数取值范围的情况下，根据上述方程(1-6)求出接触应力的变异系数的取值范围；
第三步，利用应力-强度分布干涉理论计算组件MEA和gasket的可靠度
根据组件的强度标准，结合应力-强度分布干涉理论，根据以下公式确定组件可靠度；
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其中，Rcomp代表组件的可靠度，Φ是高斯函数： 与代表不同强度标准下组件的联结系数；与代表组件的强度上下限均值；μx,comp代表组件接触应力的均值；CVy和CVx分别代表组件强度和组件接触应力的变异系数；
第四步，对燃料电池堆进行可靠性设计
由组件MEA与gasket的厚度，得到gasket与MEA之间的厚度差δ；以厚度差δ和BPP上的封装力F为设计变量，根据等效刚度模型，建立电堆封装过程的力学方程(10-14)，对燃料电池堆进行可靠性设计，设计目标使封装后组件接触应力为最佳值；
F＝kint·(Δ-δ)+kext·Δ (10)
kint·(Δ-δ)＝μx,MEA·ABPP-MEA (11)
kext·Δ＝μx,gasket·Agasket (12)
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其中，kint和kext分别代表电池内外部区域的等效刚度，具体数值由等效刚度模型计算得到；kMEA为膜电极等效刚度；kBPP-rib为双极板流道肋等效刚度；kBPP-base为双极板基板区域等效刚度；μx,MEA和μx,gasket分别代表MEA和gasket上的最佳接触应力均值，其值为已知量；Agasket和ABPP-MEA分别代表gasket的横截面面积和BPP与MEA之间的接触面积；Δ代表在封装过程中电池端板之间的总压缩量，δ代表MEA与gasket之间的厚度差，F代表封装力。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法，其特征在于，所述的高可靠性燃料电池堆封装设计方法中高可靠性指电堆封装后可靠度达到0.9999。
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| Publication number | Publication date |
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| CN107204481B (zh) | 2019-06-25 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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