CN112257315A - 一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法，本发明密封结构有效性的评价标准就是能够长期将泄漏率控制在允许范围内。突破了泄漏率定量计算的瓶颈，因而可以实现以安全泄漏率为目标的设计方方法，从根本上改变了PEMFC密封结构设计只能定性不能定量的局面。本发明较为全面地包含了对泄漏率有影响的各种因素，应用该模型可以非常方便的分析不同设计参数对应的泄漏量，对密封结构的参数选取和优化设计有着很好的指导意义。因此本发明提出的设计方法可以很好的分析泄漏率随工况变化，也可以进行寿命分析，十分适用于有着特殊要求的PEMFC密封结构设计。

Description

一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法。

背景技术

燃料电池利用电化学反应将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。相比传统的热力转换能量系统，燃料电池具有高效率、零污染和低噪音等特点。特别是常温运行的质子交换膜燃料电池PEMFC，已成为电动汽车、移动电源、小型发电站领域中的研究热点。

如附图1所示，典型的质子交换膜单电池包括双极板、扩散层和膜电极等组件。燃料气体和氧化剂经两侧的双极板流道输送至相邻的扩散层，在膜电极相遇后发生电化学反应并生成水，同时释放电能。为提高能流密度，实用PEMFC常采用多个单电池堆叠串联。此时，层与层之间可靠的密封结构设计是极为重要的。若工作过程中反应物发生外漏或窜混，将会导致电池的性能下降，严重时还会危害到其安全运行以及降低其寿命预期。

PEMFC的密封结构一般设置在双极板与扩散层之间，形式为压缩密封，即通过双极板两侧施加封装力使密封圈或密封垫片压缩变形，加强密封界面接触程度，以达到阻断界面泄漏通道的目的。虽然密封结构和原理均不复杂，但PEMFC的密封设计却存在几个特殊性。

首先是设计的非标性。双极板往往采用一次成型，光滑度和平整度均不及一般的法兰结构，需考虑较大的密封压缩率来弥补表面缺陷；为减小电池的总体积，极板间垫片的厚度往往不足1mm，低于目前所有密封设计标准中给出的密封件最小厚度。这种非标性意味着一般的密封相关的设计标准并不易直接应用于指导PEMFC密封设计。

其次是需进行密封件的寿命分析。封装后的燃料电池不易拆装，因而密封件也不宜设计为可拆卸或更替部件，即密封结构的寿命直接关系到电池的寿命。燃料电池工作期间，密封件受到酸性溶液环境、温度波动、压力升高等严苛条件的影响，会发生各种老化和应力松弛效应，有必要通过各种测试来进行寿命分析，并用于指导长效密封结构的设计。

最后，封装力需进行优化设计。封装力决定了密封件的压缩率，为取得较好的密封效果，原则上应在应力许可范围内去尽可能的封装力。但过高封装力会挤压扩散层而影响其传质性能。因此，最佳封装力应既能够保证密封件的长期有效性，又不会导致扩散层的压溃。

目前，PEMFC密封设计主要依据通用机械行业制定的相关标准，密封有效性的检验则依赖于气密性检测结果。这些方法实际上均无法考量PEMFC密封设计的特殊性。

燃料电池堆安全要求标准中明确给出了气密性要求。这一要求实际上就是提出了允许的安全泄漏率。依据能够长效维持安全泄漏率为目的对PEMFC密封结构进行设计，显然可以满足上述特殊要求。

本发明专利提出一种基于安全泄漏率的燃料电池密封结构设计方法。该方法通过构建泄漏率定量计算模型来明确各种因素对泄漏率的定量影响，如密封件材料、结构尺寸、封装力大小等。同时，模型还能反映温度波动、压力变化、密封材料老化以及长期应力松弛等变工况的影响，因而也可以用于指导密封结构的寿命分析。由于构建的模型建立在泄漏机理的基础上，因而可以准确地预测密封结构泄漏率大小和变化趋势，从而对密封结构参数的选取做出精准指导。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

S1：建立泄漏率定量计算模型：

分别构建两个无量纲因子，即粗糙流量因子Φ_σ和高度流量因子Φ_h，以表征两种因素对泄漏率的影响，界面泄漏机理模型可以表示为如下极简模式：

Q＝Φ_σ·Φ_h·Q_p (1)

其中，Q为界面泄漏率，单位ml/s；Q_p表示间隙高度相同的光滑平板通道的容积流率，即：

式中，h表示密封界面的有效间隙高度，B为密封界面接触宽度，L为密封结构的总长度，p₁为PEMFC内部压力，p₂为外部环境压力；

粗糙流量因子Φ_σ的定义式为：

Φ_σ＝Q₀/Q_p＝f(σ*) (3)

其中，式中Q₀表示高度一定时粗糙表面通道的容积流率；Φ_σ为无量纲粗糙度σ*的单值函数；σ*＝σ/T，其中σ为统计学粗糙度，T为自相关尺度(μm)；σ和T为粗糙表面的两个特征参数，能够较好地反映机加工表面的粗糙特性，且很容易通过表面轮廓测量仪测出；

高度流量因子Φ_h的表达式为：

Φ_h＝Q/Q₀＝f(h*) (4)

式中Q₀为式(2)中得到的初始间隙高度h₀对应的粗糙通道体积流量；Q则表示实际间隙高度h对应的容积流量；当粗糙表面特性一定时，Φ_h为无量纲间隙高度h*的单值函数；h*＝h/h₀；

Φ_σ和Φ_h函数的具体形式可通过泄漏率测试试验或介观尺度流体仿真技术计算获得；

界面实际间隙高度h随密封力变化，粗糙峰被简化为半径为R的半球体，当密封力为F时，粗糙峰的压入深度为δ，则间隙有效高度h＝h₀-δ；Hertz接触模型给出了压入深度δ与法向密封力之间的关系式：

其中，E'是由双极板(下标b)材料和密封圈/垫片材料(下标s)共同决定的复合弹性模量，单位MPa：

ν_b和ν_s分别为双极板和密封圈材料的泊松比；将式(5)转换为无量纲形式，可得

式中S_G为表观平均接触应力，其值等于密封力F除以粗糙峰的表观接触面积A₀(A₀＝πR²)，写作S_G＝F/A₀，单位为MPa；

注意到间隙初始高度h₀与粗糙峰半径R的物理意义相近，可视作是同一个参数；同时，定义无量纲平均接触应力S_G*：

S_G*＝S_G/E' (8)

分析式(7)可知，无量纲高度h*为无量纲平均接触应力S_G*的单值函数，即：

h*＝f(S_G*) (9)

式(9)为基于有限元分析方法或采用微压痕试验测量方法获得有效间隙高度提供了有效途径；

S2：设计参数分析选取：

式(1)-(9)构成了界面泄漏机理模型；该模型较为全面地包含了对泄漏率有影响的各种因素：泄漏气体流动特性、密封垫片几何参数、双极板粗糙形貌、密封材料变形特性，应用该模型分析不同设计参数对应的泄漏量；

S3：密封结构长效行为预测：

橡胶的应力松弛行为采用三元件Prony级数模型来描述：

式中，S_G(t)为时间t所对应的应力，ε₀为t＝0时刻的应变，E_∞表示稳定后材料的杨氏模量，E_i取决于施加的应力水平和材料特性，τ_i为材料特性常数；

橡胶材料的应力松弛试验用来确定上式所需要的参数；考虑温度和时间的共同作用时，应用方程：

S_G(t,T₂)＝S_G(A(T₁,T₂)t,T₁) (11)

式中，时温转移系数由下式给出：

其中，常数C₁和C₂只与参考温度T₁有关；通过实际测试确定式(10)和式(12)中各种系数。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

①密封结构有效性的评价标准就是能够长期将泄漏率控制在允许范围内。本发明突破了泄漏率定量计算的瓶颈，因而可以实现以安全泄漏率为目标的设计方方法，从根本上改变了PEMFC密封结构设计只能定性不能定量的局面。

②设计方法基于界面泄漏机理模型。该模型较为全面地包含了对泄漏率有影响的各种因素：泄漏气体流动特性、密封垫片几何参数、双极板粗糙形貌、密封材料变形特性等等。应用该模型可以非常方便的分析不同设计参数对应的泄漏量，对密封结构的参数选取和优化设计有着很好的指导意义。

③所提出的模型建立在微间隙流动分析和微接触力学分析的基础上，清晰地反映了界面泄漏的机理，不依赖于经验数据，因而可以拓展应用于其他条件。因此本发明提出的设计方法可以很好的分析泄漏率随工况变化，也可以进行寿命分析，十分适用于有着特殊要求的PEMFC密封结构设计。

附图说明

图1是质子交换膜燃料电池结构示意图；

图2是压缩密封原理及界面泄漏机理图；

图3是Hertz接触模型示意图；

图4是模型预测值与实验测量值的比较图；

图5是粗糙度对泄漏率的影响图；

图6是硬度对泄漏率的影响图；

图7是硬度对泄漏率的影响图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

①建立泄漏率定量计算模型

如附图2所示，压缩密封的原理可描述如下：利用封装力挤压作用，使具有粗糙特性的双极板表面更好地与密封圈/垫片充分接触，减小界面孔隙，阻断泄漏推断，到达有效密封。因此，建立能够描述气体在粗糙界面间隙空间流动特性及其随压缩应力变化的机理，是压缩密封定量设计的基础。

对多种界面微孔结构中的气体流动进行仿真分析后，发现气体在其中的流动仍具有光滑平板流动的特点，与泊肃叶流动规律十分相似。其主要影响因素有两个，一个是关于表面粗糙度，一个是关于界面间隙高度。因此，可以分别构建两个无量纲因子，即粗糙流量因子Φ_σ和高度流量因子Φ_h，以表征两种因素对泄漏率的影响。因此，界面泄漏机理模型可以表示为如下极简模式：

Q＝Φ_σ·Φ_h·Q_p (1)

其中，Q为界面泄漏率，单位ml/s；Q_p表示间隙高度相同的光滑平板通道的容积流率，即：

式中，h表示密封界面的有效间隙高度，B为密封界面接触宽度，L为密封结构的总长度，p₁为PEMFC内部压力，p₂为外部环境压力。

粗糙流量因子Φ_σ的定义式为：

Φ_σ＝Q₀/Q_p＝f(σ*) (3)

其中，式中Q₀表示高度一定时粗糙表面通道的容积流率。Φ_σ为无量纲粗糙度σ*的单值函数；σ*＝σ/T，其中σ为统计学粗糙度，T为自相关尺度(μm)。σ和T为粗糙表面的两个特征参数，能够较好地反映机加工表面的粗糙特性，且很容易通过表面轮廓测量仪测出。

高度流量因子Φ_h的表达式为：

Φ_h＝Q/Q₀＝f(h*) (4)

式中Q₀为式(2)中得到的初始间隙高度h₀对应的粗糙通道体积流量；Q则表示实际间隙高度h对应的容积流量。当粗糙表面特性一定时，Φ_h为无量纲间隙高度h*的单值函数；h*＝h/h₀。

Φ_σ和Φ_h函数的具体形式可通过泄漏率测试试验或介观尺度流体仿真技术计算获得。

界面实际间隙高度h随密封力变化，但影响因素较多，需要借助粗糙表面微接触力学分析获得。PEMFC常采用固态或胶态橡胶作为密封材料。对这类弹性体微观接触变形，可简单应用Hertz接触模型计算(Johnson,K.L.,1985,Contact Mechanics,CambridgeUniversity Press,Cambridge.)。Hertz接触模型可参考图3，属于单粗糙峰力学分析。粗糙峰被简化为半径为R的半球体，当密封力为F时，粗糙峰的压入深度为δ，则间隙有效高度h＝h₀-δ。Hertz接触模型给出了压入深度δ与法向密封力之间的关系式：

其中，E'是由双极板(下标b)材料和密封圈/垫片材料(下标s)共同决定的复合弹性模量，单位MPa：

ν_b和ν_s分别为双极板和密封圈材料的泊松比。将式(5)转换为无量纲形式，可得

式中S_G为表观平均接触应力，其值等于密封力F除以粗糙峰的表观接触面积A₀(A₀＝πR²)，写作S_G＝F/A₀，单位为MPa。

注意到间隙初始高度h₀与粗糙峰半径R的物理意义相近，可视作是同一个参数。同时，定义无量纲平均接触应力S_G*：

S_G*＝S_G/E' (8)

分析式(7)可知，无量纲高度h*为无量纲平均接触应力S_G*的单值函数，即：

h*＝f(S_G*) (9)

式(9)为基于有限元分析方法或采用微压痕试验测量方法获得有效间隙高度提供了有效途径。这两种方法显然可以包含更复杂的微接触变形情况，如弹塑性变形和接触点联结效应，有助于获得更为精确的泄漏量预测值。

②设计参数分析选取

式(1)-(9)构成了界面泄漏机理模型。该模型较为全面地包含了对泄漏率有影响的各种因素：泄漏气体流动特性、密封垫片几何参数、双极板粗糙形貌、密封材料变形特性等等。应用该模型可以非常方便的分析不同设计参数对应的泄漏量，为密封结构的优化设计提供了很好的工具。

③密封结构长效行为预测

橡胶为粘弹性聚合物，在一定密封力作用下会发生应力松弛导致接触应力下降。Cui T.等(Cui T.et.al.,2014,Journal of Hydrogen Energy,Sealing ForcePrediction of Elastomeric Seal Material for PEM Fuel Cell under TemperatureCycling)提出橡胶的应力松弛行为可以采用三元件Prony级数模型来描述：

式中，S_G(t)为时间t所对应的应力，ε₀为t＝0时刻的应变，E_∞表示稳定后材料的杨氏模量，E_i取决于施加的应力水平和材料特性，τ_i为材料特性常数。橡胶材料的应力松弛试验可以用来确定上式所需要的参数。考虑温度和时间的共同作用时，可应用Willianms-Landel-Ferry方程(Sperling,L.H.,1986,Introduction to Physical PolymerScience.John Wiley&Sons,Inc.New York)：

S_G(t,T₂)＝S_G(A(T₁,T₂)t,T₁) (11)

式中，时温转移系数由下式给出：

其中，常数C₁和C₂只与参考温度T₁有关。

Prony级数和时温转移系数与橡胶材料的力学特性有密切关系，需要通过实际测试确定式(10)和式(12)中各种系数。利用时温等效原理，还可以通过提升温度加速应力松弛测试。

实施例：

具体实施步骤包括：

①考虑下列设计参数：某质子燃料模电池密封圈尺寸为L×B×t，中间膜电极尺寸为L_m×B_m，名义间隙高度h₀(可取为金属双极板统计学粗糙度的3～5倍)，介质流动粘性系数μ，内部压力p₁和环境压力p₀。

②将上述条件代入泊肃叶流量公式，计算出无压缩、光滑界面的泄漏量Q_p。

③测得法兰表面和密封圈表面的复合粗糙度σ及自相关尺度T，代入粗糙因子公式得到Φ_σ。

④根据密封结构初始压缩率ε₀，推算出初始密封力F，获得初始平均接触应力S_G0。实际平均接触应力S_G为S_G0与内部压力p₁(p₁＞p₀)的差值。

⑤根据S_G和材料弹性模量计算得到无量纲间隙高度h*，代入高度因子公式得到Φ_h。

⑥此时，应用Q＝Φ_σ·Φ_h·Q_p，即可计算出τ＝0时刻的泄漏率Q_τ＝0。

⑦用Prony级数得到S_G(τ)替换高度因子公式中的S_G，即可获得Q(τ)。

⑧结合泄漏率定量要求，获得对应的密封结构寿命时间。

附图4为基于模型对某金属双极板密封结构计算的泄漏率，同时给出了该装置的泄漏率测量值。可以预测值与实验值都保持了较好的一致性。采用这种方法可以验证模型准确性并进行相应的参数修正。

由图5-图7给出的计算结果表明，双极板界面形貌、密封圈力学特性以及初始压缩率均为泄漏率的敏感因素，在密封设计时必需着重考虑。若以单电池泄漏率20ml/s为设计基准，所考虑密封结构的设计参数可以设定为：双极板粗糙度15μm以下，密封圈硬度约为50～60之间，压缩率15％以上。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种以安全泄漏率为目标的燃料电池密封结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立泄漏率定量计算模型：

分别构建两个无量纲因子，即粗糙流量因子Φ_σ和高度流量因子Φ_h，以表征两种因素对泄漏率的影响，界面泄漏机理模型可以表示为如下极简模式：

Q＝Φ_σ·Φ_h·Q_p (1)

其中，Q为界面泄漏率，单位ml/s；Q_p表示间隙高度相同的光滑平板通道的容积流率，即：

式中，h表示密封界面的有效间隙高度，B为密封界面接触宽度，L为密封结构的总长度，p₁为PEMFC内部压力，p₂为外部环境压力；

粗糙流量因子Φ_σ的定义式为：

Φ_σ＝Q₀/Q_p＝f(σ*) (3)

其中，式中Q₀表示高度一定时粗糙表面通道的容积流率；Φ_σ为无量纲粗糙度σ*的单值函数；σ*＝σ/T，其中σ为统计学粗糙度，T为自相关尺度(μm)；σ和T为粗糙表面的两个特征参数，能够较好地反映机加工表面的粗糙特性，且很容易通过表面轮廓测量仪测出；

高度流量因子Φ_h的表达式为：

Φ_h＝Q/Q₀＝f(h*) (4)

式中Q₀为式(2)中得到的初始间隙高度h₀对应的粗糙通道体积流量；Q则表示实际间隙高度h对应的容积流量；当粗糙表面特性一定时，Φ_h为无量纲间隙高度h*的单值函数；h*＝h/h₀；

Φ_σ和Φ_h函数的具体形式可通过泄漏率测试试验或介观尺度流体仿真技术计算获得；

界面实际间隙高度h随密封力变化，粗糙峰被简化为半径为R的半球体，当密封力为F时，粗糙峰的压入深度为δ，则间隙有效高度h＝h₀-δ；Hertz接触模型给出了压入深度δ与法向密封力之间的关系式：

其中，E'是由双极板(下标b)材料和密封圈/垫片材料(下标s)共同决定的复合弹性模量，单位MPa：

ν_b和ν_s分别为双极板和密封圈材料的泊松比；将式(5)转换为无量纲形式，可得

式中S_G为表观平均接触应力，其值等于密封力F除以粗糙峰的表观接触面积A₀(A₀＝πR²)，写作S_G＝F/A₀，单位为MPa；

注意到间隙初始高度h₀与粗糙峰半径R的物理意义相近，可视作是同一个参数；同时，定义无量纲平均接触应力S_G*：

S_G*＝S_G/E' (8)

分析式(7)可知，无量纲高度h*为无量纲平均接触应力S_G*的单值函数，即：

h*＝f(S_G*) (9)

式(9)为基于有限元分析方法或采用微压痕试验测量方法获得有效间隙高度提供了有效途径；

S2：设计参数分析选取：

式(1)-(9)构成了界面泄漏机理模型，应用该模型分析不同设计参数对应的泄漏量；

S3：密封结构长效行为预测：

橡胶的应力松弛行为采用三元件Prony级数模型来描述：

式中，S_G(t)为时间t所对应的应力，ε₀为t＝0时刻的应变，E_∞表示稳定后材料的杨氏模量，E_i取决于施加的应力水平和材料特性，τ_i为材料特性常数；

橡胶材料的应力松弛试验用来确定上式所需要的参数；考虑温度和时间的共同作用时，应用方程：

S_G(t,T₂)＝S_G(A(T₁,T₂)t,T₁) (11)

式中，时温转移系数由下式给出：

其中，常数C₁和C₂只与参考温度T₁有关；通过实际测试确定式(10)和式(12)中各种系数。

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