CN107819138B - 一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池堆封装技术领域，提供一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，在双极板上加工凸台结构，让其承受部分的封装力与外部动载荷的作用。使更多的电池惯性力由强度较高的双极板承担，从而减小电池内组件上循环应力的幅值，延长其使用寿命。通过这样的双极板凸台结构分力设计，可以很好起到保护膜电极与密封件的作用。而利用本发明提出的等效刚度‐质量模型，可以高效的分析PEMFC结构应力，从而可以高效完成凸台等结构的设计。

Description

一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法

技术领域

本发明属于燃料电池堆封装技术领域，涉及一种改善电池堆内组件在封装力和动载荷作用下的压力分布的结构设计方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，下简称PEMFC)作为一种高效、清洁的能源设备，在航空航天、运载交通和移动便携设备等诸多领域具有良好的应用前景。电堆的结构、封装方式以及外界动载荷的作用都决定着电池组件的受力状况，进而影响着电堆在服役中的性能。车用电堆在封装、运输和服役中不可避免地经受动载荷，这会引起电堆性能衰退甚至导致电堆结构损伤破坏。在服役中，即使动载荷未达到使组件直接发生强度破坏的程度，电堆结构也可能因为长期的循环应力而出现组件的疲劳损伤问题，造成耐久性低、寿命短，这是车用电堆面临的关键问题。而电堆的结构设计对组件的疲劳受命有至关重要的影响。另外，封装力(Clamping Force)是影响PEMFC工作效率的重要因素：封装力过小会导致电池内接触电阻过大、易泄漏而封装力过大会引起组件的塑性变形甚至破坏。PEMFC结构具有多尺度的几何特征，其封装的研究又是复杂的多因素耦合的难题，求解难度较高。利用有限元法，为了达到足够的分析精度，电池模型就需要数量庞大的有限元单，分析会占用巨大的计算资源。人们在结构设计中通常会依靠经验或者反复做实验，不仅耗费了大量资源，而且导致产品的研发周期更加漫长。这里，利用我们提出的等效刚度-质量模型(Equivalent Stiffness-Mass Model，简称“等效模型”)，可以高效的分析PEMFC结构应力，并在结构设计中综合考虑封装力与外部动载荷因素的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法。本发明通过在燃料电池双极板(Bipolar Plate，简称BP)上加工合适尺寸的凸台结构，改善燃料电池在封装后的服役过程中，内部核心组件膜电极的受力状况。通过设计封装力的大小、密封件与膜电极MEA的厚度，可以实现组件在封装力作用时的压力能在合理的范围内。但在动载作用下，电池整体的惯性力主要由密封件与膜电极MEA承担，较大的组件循环应力幅值易于导致疲劳损伤和寿命短的问题。因此本发明提出在BP上加工凸台结构，让其承受部分的封装力与外部动载荷的作用。这时要适当增大施加的封装力，让MEA与密封件上受到的压力保持不变。而当动载荷作用时，更多的电池惯性力可以由强度较高的BP承担，即BP凸台结构起到了限制MEA与密封件出现过大的变形，从而减小MEA与密封件组件上循环应力的幅值，也就减小了组件的疲劳损伤，延长使用寿命。由于BP材料的强度和弹性模量比MEA与密封件材料的大很多，这样设计可以保证结构有较大的安全裕度。通过这样的BP凸台结构分力设计，可以很好起到保护MEA与密封件的作用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，包括以下步骤：

第一步，测量电池初始结构参数，并获得电池的服役工况。通过封装力作用下的静载实验，以膜电极MEA上接触电阻、气体扩散率、密封件气密性以及组件强度为依据，得到膜电极MEA与密封件上的最佳应力。再通过动载实验，测试膜电极MEA与密封件在动载荷加速度作用下的循环应力幅值。

第二步，根据第一步的得到电池结构的测量参数，建立参数化的等效刚度-质量模型，参数化的等效刚度-质量模型是将大型PEMFC简化为由许多组弹簧和质点通过串联或并联组合在一起的力学模型。

2.1)建立模型时，先将电池基本组件组成单电池的等效刚度-质量模型，电池基本组件包括双极板BP，膜电极MEA和密封件。

根据公式(1)计算基本组件的刚度，公式(1)如下：

其中，k_component表示组件的等效刚度，E_component、A_component和t_component分别表示组件材料弹性模量、组件在封装载荷方向上的截面积和厚度。

2.2)将双极板划分为四个区域，分别为密封区域6、肋区域7、基板区域5和凸台区域2；凸台区域2设置于密封区域6上方，密封区域6围绕于基板区域5与密封件接触，基板区域5上设置多条平行的肋，这些肋共同组成肋区域7。相应的，单电池分为三个区域，分别是密封区域、内部区域和外部区域；其中，密封区域由密封件和密封区域6串联组成，内部区域是电化学反应的区域，由膜电极MEA、肋区域7、基板区域5串联组成，外部区域由凸台区域2组成。

单电池的三部分区域的等效刚度分别通过以下公式计算得到：

其中，k_Cell-sealant、k_{Cell-internal}和k_{Cell-external}分别是单电池密封区域、内部区域和外部区域的等效刚度；k_BP-sealant、k_rib、k_BP-base和k_BP-boss分别是双极板划分的密封区域6、肋区域7、基板区域5和凸台区域2的等效刚度；k_sealant与k_MEA分别是密封件与膜组件MEA的等效刚度；N_rib则是双极板上流道肋的数量。

所以，单电池的总刚度k_Cell为：

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

单电池的等效质量为组成单电池的各组件的总质量，记作m_Cell。在动载作用下单电池变形为：

其中，a是动载荷加速度幅值；F_clamping是电池受到的封装力；i表示PEMFC中单电池的编号；m_EP、m_insulator和m_collector分别是PEMFC端板、绝缘板和集电板的质量。

当i＝N_cell(单电池的总数)时，此单电池的变形量最大。也就是说，最靠近端板的单电池在封装力与动载作用下会出现最大的变形。膜组件MEA、密封件和双极板凸台在动载和封装力作用下的循环应力分别通过以下公式计算：

其中，Δt是MEA与密封件的厚度差，通过改变封装力与Δt可以调节MEA与密封件上的压力。t_boss是双极板凸台的厚度值，即凸台结构的设计变量，通过增大t_boss可以使凸台承担更多的封装力与动载荷。

PEMFC服役时，动载荷加速度幅值不断改变，导致组件上应力值σ_component相应的随时间不断变化。采用σ_component表示公式(7)-(9)中的和那么，每个组件在测试时间内的循环应力最大值和最小值分别由和表示，定义每个组件上循环应力平均值和幅值如下：

其中，和分别是组件的循环应力平均值与幅值，组件(component)包括双极板BP、膜电极MEA和密封件。而对于双极板BP，只需计算BP凸台区域的循环应力平均值和幅值。

第三步，给定公式(9)中t_boss的取值，初始值可取为密封件厚度的1/10，利用等效方法，由公式(1)-(10)计算得到在动载和封装力作用下的MEA与密封件上的平均应力后，对比该平均应力是否与第一步中实验测试的最佳应力相一致：若两者一致时，则进入设计的第四步；若两者不一致，则改变公式(8)中的Δt和公式(6)中的F_clamping的取值，重新计算后至两者一致。

第四步，根据公式(11)计算膜组件MEA与密封件上的循环应力幅值。对比第一步的实验测试结果判断这两个组件上的循环应力幅值是否都明显减小，即减小30％以上。由公式(9)计算双极板BP凸台处应力是否小于双极板BP材料的屈服极限，判断BP凸台结构是否满足强度校验标准。根据上述两个标准，判定凸台结构参数t_boss是否达到设计要求：若未达到要求，则更改公式(9)中t_boss的取值并重复第二和第三步；若已达到要求，则完成双极板BP凸台结构的设计。

本发明的有益效果为：本发明提出利用双极板上的凸台结构改善电池堆内组件(MEA与密封件)在封装力和动载荷作用下的压力分布，借助凸台结构的承力，缓解MEA与密封件的疲劳损伤问题。结合等效刚度-质量模型可以快速的对不同型号尺寸的PEMFC完成凸台结构的设计。

附图说明

图1为单电池1/2结构示意图；

图2为双极板区域划分示意图；(a)为原始结构，(b)为本发明设计后的结构；

图3为PEMFC单电池结构设计变量示意图；

图4为PEMFC结构设计实施流程图；

图中：1双极板；2凸台区域；3膜电极；4密封件；5基板区域；6密封区域；7肋区域。

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：

1)测量各组成部件的外形尺寸和材料弹性模量，利用公式(1)得到各组件的等效刚度值。根据PEMFC服役与实验中的测试数据，以MEA上接触电阻、气体扩散率、密封件气密性以及组件强度为依据，获得MEA与密封件的最佳应力。

2)在BP上增加凸台结构，利用等效刚度-质量模型，由公式(2-10)计算MEA与密封件在封装力与动载作用下的平均应力。若平均应力不处于组件的最佳应力状态，则改变Δt与F_clamping直到满足组件应力最佳的要求。

3)由公式(11)计算MEA与密封件在动载作用下的循环应力幅值。对比分析该幅值是否因为设计的BP凸台结构而明显减小，从而避免过早疲劳损伤的问题。并且对该凸台结构进行强度校核。若上述两点都满足便可以完成此结构的设计。若不满足，通过改变设计变量t_boss的取值，重复2)和3)过程，直至得到合理的结构设计方案。

本发明中使用的参数化等效模型具有很高的计算分析效率，因此上述设计过程可以在很短的时间内完成。表1展示了某型号PEMFC加装BP凸台结构前后的组件应力状况。可以发现，加装凸台结构后，再通过调整Δt与F_clamping的取值可以保持MEA与密封件在封装力与动载作用下的平均应力始终在最佳的应力状态。而且，加装凸台结构后，MEA与密封件上的循环应力幅值会明显的减小，特别是MEA从0.590MPa降至0.0097MPa。凸台承担了部分的封装力和大部分的PEMFC在动载下的惯性力，其循环应力的平均值和幅值分别是2.55MPa和0.802MPa。但由于BP一般是由强度较高的金属或复合材料制成，这样的应力状况是不易导致BP疲劳破坏的。

表1加装BP凸台结构前后电池组件的应力状况

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)

1.一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，其特征在于以下步骤：

第一步，测量电池初始结构参数，并获得电池的服役工况；通过封装力作用下的静载实验，得到膜电极与密封件上的最佳应力；通过动载实验得到膜电极与密封件在动载荷加速度作用下的循环应力幅值；

第二步，根据第一步的得到电池结构的测量参数，建立参数化的等效刚度-质量模型

2.1)建立模型时，先将电池基本组件组成单电池的等效刚度-质量模型，电池基本组件包括双极板、膜电极和密封件；

根据公式(1)计算基本组件的刚度，公式(1)如下：

其中，k_component表示组件的等效刚度，E_component、A_component和t_component分别表示组件材料弹性模量、组件在封装载荷方向上的截面积和厚度；

2.2)将双极板划分为四个区域，分别为密封区域(6)、肋区域(7)、基板区域(5)和凸台区域(2)，凸台区域(2)设于密封区域(6)上方，密封区域(6)围绕于基板区域(5)与密封件接触，基板区域(5)上设置多条平行的肋组成肋区域(7)；相应的，单电池分为三个区域，分别是密封区域、内部区域和外部区域；其中，密封区域由密封件和密封区域(6)串联组成，内部区域是电化学反应的区域，由膜电极、肋区域(7)、基板区域(5)串联组成，外部区域由凸台区域(2)组成；

单电池的三部分区域的等效刚度分别通过以下公式计算得到：

其中，k_Cell-sealant、k_{Cell-internal}和k_{Cell-external}分别是单电池密封区域、内部区域和外部区域的等效刚度；k_BP-sealant、k_rib、k_BP-base和k_BP-boss分别是双极板划分的密封区域(6)、肋区域(7)、基板区域(5)和凸台区域(2)的等效刚度；k_sealant与k_MEA分别是密封件与膜组件的等效刚度；N_rib表示双极板上流道肋的数量；

单电池的总刚度k_Cell为：

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

单电池的等效质量为组成单电池的各组件的总质量，记作m_Cell；在动载作用下单电池变形为：

其中，a是动载荷加速度幅值；F_clamping是电池受到的封装力；i表示单电池的编号；m_EP、m_insulator和m_collector分别是单电池端板、绝缘板和集电板的质量；

膜组件、密封件和双极板凸台在动载和封装力作用下的循环应力分别通过以下公式计算：

其中，Δt是膜组件与密封件的厚度差，通过改变封装力与Δt调节膜组件与密封件上的压力；t_boss是双极板凸台的厚度值，即凸台结构的设计变量，通过增大t_boss使凸台承担更多的封装力与动载荷；

电池服役时，动载荷加速度幅值不断改变，导致组件上应力值σ_component相应的随时间不断变化；采用σ_component表示公式(7)-(9)中的和则每个组件在测试时间内的循环应力最大值和最小值分别由和表示，定义每个组件上循环应力平均值和幅值如下：

其中，和分别是组件的循环应力平均值与幅值，组件包括双极板、膜电极和密封件；而对于双极板BP，只需计算双极板凸台区域(2)的循环应力平均值和幅值；

第三步，设定公式(9)中t_boss的取值，利用等效方法，由公式(1)-(10)计算得到在动载和封装力作用下的膜电极与密封件上的平均应力，对比该平均应力是否与第一步中实验测试的最佳应力相一致：若两者一致时，则进行第四步；若两者不一致，则改变公式(8)中的Δt和公式(6)中的F_clamping的取值，重新计算后至两者一致；

第四步，根据公式(11)计算膜组件与密封件上的循环应力幅值；对比第一步的实验测试结果判断这两个组件上的循环应力幅值是否都减小30％以上；由公式(9)计算双极板BP凸台处应力是否小于双极板BP材料的屈服极限，判断BP凸台结构是否满足强度校验标准；根据上述两个标准，判定凸台结构参数t_boss是否达到设计要求：若未达到要求，则更改公式(9)中t_boss的取值并重复第二和第三步；若已达到要求，则完成双极板凸台结构的设计。

2.根据权利要求1所述的一种改善燃料电池堆内压力分布的结构设计方法，其特征在于，所述的第三步设定公式(9)中t_boss的初始值为密封件厚度的1/10。