CN114914468A - 一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，装配燃料电池堆的双极板时，将双极板划分为中间区域和两边区域，与中间区域接触的是碳纸、膜电极催化层和质子交换膜，与两边区域接触的是气密封圈和膜电极边框膜；在燃料电池堆的水侧端板和水侧绝缘板之间装垫刚度不同的第一弹性元件和第二弹性元件，第一弹性元件和第二弹性元件为并联状态；根据第一弹性元件和第二弹性元件的刚度选择第一弹性元件和第二弹性元件的组数，使得分配到堆芯不同部位的封装力均匀，使每一节双极板平整无弯曲，应力分布均匀。本发明通过弹性元件刚度的调节来匹配堆芯不同位置刚度，达到弹性元件和堆芯刚度的平衡，使得堆芯受力均匀。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法。
背景技术
双极板和膜电极是燃料电池堆中的重要组成部分，双极板用于分配燃料、导电和支撑膜电极，膜电极是电化学反应发生的场所，双极板和膜电极堆叠并串联后组成燃料电池堆芯，堆芯与端板、集流板、绑带装配固定组成电堆。
将双极板划分为中间、两边区域，与双极板中间区域接触的是碳纸、膜电极催化层和质子交换膜，两边区域是气密封圈和膜电极边框膜，整个堆芯经多层双极板堆叠后，在一定的封装作用力下，堆芯中间区域刚度和两边区域刚度不相等。在捆绑电堆中金属端板和绝缘板之间衬垫弹性元件，为了保证电堆封装力均匀的分配到电堆堆芯的每一个区域，每一节双极板不发生翘曲变形，受力均匀，放置在金属端板和绝缘板之间中间的弹性元件和两边的弹性元件刚度应该不相等，对应位置弹性元件的刚度应该和堆芯对应位置的刚度做好匹配，才能达到整个电堆堆芯封装力均匀分布，受力均匀目的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，可以通过调整不同组弹性元件刚度，匹配电堆堆芯不同区域的刚度，达到封装力均匀分布的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，包括以下步骤：
S1.装配燃料电池堆的双极板时，将双极板划分为中间区域和两边区域，与双极板中间区域接触的是碳纸、膜电极催化层和质子交换膜，与双极板两边区域接触的是气密封圈和膜电极边框膜；
S2.在燃料电池堆的水侧端板和水侧绝缘板之间装垫刚度不同的第一弹性元件和第二弹性元件，第一弹性元件和第二弹性元件为并联状态；根据第一弹性元件和第二弹性元件的刚度选择第一弹性元件和第二弹性元件的组数，通过第一弹性元件和第二弹性元件的选择使得分配到堆芯不同部位的封装力均匀，使每一节双极板平整无弯曲，应力分布均匀。
进一步地，设堆芯的封装力为：
F封装力＝K1Δx1+K2Δx2＝K3Δx3+K4Δx4
其中，K1为第一弹性元件刚度，K2为第二弹性元件刚度，K3为电堆两边等效刚度，K4为电堆中间等效刚度；Δx1为第一弹性元件变形量，Δx2为第二弹性元件变形量，Δx3为电堆两边变形量，Δx4为电堆中间变形量；
为保证堆芯受力均匀，水侧绝缘板应保持水平，与水侧端板保持平行，则在此封装力作用下Δx1＝Δx2，故Δx3＝Δx4，则
(K1+K2)Δx1＝(K3+K4)Δx3
则n为弹性元件的刚度与电堆等效刚度的关系系数，
其中K1＝nK3，K2＝nK4为其中一种优解。
进一步地，电堆两边等效刚度K3和电堆中间等效刚度K4为：
其中，E3表示电堆两边区域等效材料弹性模量，A3表示电堆两边区域在封装载荷方向上的截面积，l3表示电堆两边区域在封装载荷方向上的厚度；E4表示电堆中间区域等效材料弹性模量，A4表示电堆中间区域在封装载荷方向上的截面积，l4表示电堆中间区域在封装载荷方向上的厚度。
进一步地，找出堆芯最佳的封装力，求出相应的第一弹性元件和第二弹性元件的刚度，使得堆芯最终的封装力均匀分布。
进一步地，根据燃料电池堆热胀冷缩封装力值的变化，对关系系数n的取值范围进行确定。
进一步地，所述根据燃料电池堆热胀冷缩封装力值的变化，对关系系数n的取值范围进行确定的方法为：
设k为电堆等效刚度，nk为弹性元件的刚度，m为电堆热胀冷缩刚度增加或减少的系数，x为弹性元件封装后初始变形量，Δx电堆热胀冷缩变形量，则
升温后堆芯的封装力为：
F升温＝nk*(x+Δx)＝(k+mk)(nx-Δx)
则n*(x+Δx)＝(1+m)(nx-Δx)
设最大运行温度的封装力比初始封装力大q倍，且q＜m，则
减温后堆芯的封装力为：
F减温＝nk*(x-Δx)＝(k-mk)(nx+Δx)
则n*(x-Δx)＝(1-m)(nx+Δx)
设最小运行温度的封装力比初始封装力小p倍，且p＜m，则
故根据电堆热胀冷缩封装力值的变化，关系系数n的取值范围为：
本发明的有益效果在于：
本发明通过弹性元件刚度的调节来匹配堆芯不同位置刚度，达到弹性元件和堆芯刚度的平衡，使得堆芯受力均匀。本发明根据电堆热胀冷缩封装力值的变化，提供了对弹性元件刚度与电堆等效刚度的关系系数取值范围进行确定的方法。
附图说明
图1电堆封装结构整体示意图。
图2双极板、碳纸、气密封圈布置示意图。
图3堆芯刚度与弹性元件刚度匹配示意图。
图4电堆升温前、后堆芯刚度与弹性元件刚度匹配示意图。
图5电堆减温前、后堆芯刚度与弹性元件刚度匹配示意图。
附图标记：1-水侧端板，2-紧固螺钉，3-水路侧集流板，4-绝缘保护垫，5-绑带，6-测量引出装置，7-补偿器1，8-水路端头，9-紧固螺杆，10-固定楔块，11-底板，12-堆芯，13-气侧集流板，14-气侧端板，15-水侧绝缘板，16-补偿器2，17-第一弹性元件，18-第二弹性元件，19-电堆两边等效刚度，20-电堆中间等效刚度，21-双极板，22-气密封圈，23-膜电极，24-碳纸。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，通过调整不同组弹性元件刚度，匹配电堆堆芯12不同区域的刚度，达到封装力均匀分布的目的。
如图1所示为电堆封装结构整体示意图，如图2所示为双极板21、碳纸24、气密封圈22布置示意图，装配燃料电池堆的双极板21时，将双极板21划分为中间区域和两边区域，与双极板21中间区域接触的是碳纸24、膜电极23催化层和质子交换膜，与双极板21两边区域接触的是气密封圈22和膜电极23边框膜。在进行设计匹配时，两区域刚度要达到一定的平衡，碳纸24具有二次(多次)压缩特性，气密封圈22在反应过程中也会发生一定的变形，当多张双极板21堆叠在一起，会造成整个堆芯12中间的等效刚度K4和两边的等效刚度K3不相等(双极板21和膜电极23在整个过程中刚度变化不大，主要考虑碳纸24和气密封圈22刚度)。
因此，为了保证堆芯12封装力比较均匀分布，在燃料电池堆的水侧端板和水侧绝缘板15之间装垫刚度不同的第一弹性元件17和第二弹性元件18，第一弹性元件17和第二弹性元件18为并联状态；根据第一弹性元件17和第二弹性元件18的刚度选择第一弹性元件17和第二弹性元件18的组数，通过第一弹性元件17和第二弹性元件18的选择使得分配到堆芯12不同部位的封装力均匀，使每一节双极板21平整无弯曲，应力分布均匀。
具体地，设堆芯12的封装力为：
F封装力＝K1Δx1+K2Δx2＝K3Δx3+K4Δx4
其中，K1为第一弹性元件17刚度，K2为第二弹性元件18刚度，K3为电堆两边等效刚度，K4为电堆中间等效刚度，如图3所示；Δx1为第一弹性元件17变形量，Δx2为第二弹性元件18变形量，Δx3为电堆两边变形量，Δx4为电堆中间变形量。
为保证堆芯12受力均匀，水侧绝缘板15应保持水平，与水侧端板保持平行，则在此封装力作用下Δx1＝Δx2，故Δx3＝Δx4，则
(K1+K2)Δx1＝(K3+K4)Δx3
则n为弹性元件的刚度与电堆等效刚度的关系系数，
其中K1＝nK3，K2＝nK4为其中一种优解。电堆两边等效刚度K3和电堆中间等效刚度K4为：
其中，E3表示电堆两边区域等效材料弹性模量，A3表示电堆两边区域在封装载荷方向上的截面积，l3表示电堆两边区域在封装载荷方向上的厚度；E4表示电堆中间区域等效材料弹性模量，A4表示电堆中间区域在封装载荷方向上的截面积，l4表示电堆中间区域在封装载荷方向上的厚度。
因此，通过此种方式可以匹配一定封装力作用下K1、K2、K3、K4的关系，找到K1、K2、K3、K4关系及具体值。
根据同样的方式，可以求出不同封装力作用下的K1、K2、K3、K4关系及具体值。
找出堆芯12最佳的封装力，求出合适的第一弹性元件17、第二弹性元件18的刚度，使得堆芯12最终的封装力均匀分布。
优选地，根据燃料电池堆热胀冷缩封装力值的变化，对关系系数n的取值范围进行确定，其方法为：
设k为电堆等效刚度，nk为弹性元件的刚度，m为电堆热胀冷缩刚度增加或减少的系数，x为弹性元件封装后初始变形量，Δx电堆热胀冷缩变形量。
如图4所示，升温后堆芯12的封装力为：
F升温＝nk*(x+Δx)＝(k+mk)(nx-Δx)
则n*(x+Δx)＝(1+m)(nx-Δx)
设最大运行温度的封装力比初始封装力大q倍，且q＜m，则
如图5所示，减温后堆芯12的封装力为：
F减温＝nk*(x-Δx)＝(k-mk)(nx+Δx)
则n*(x-Δx)＝(1-m)(nx+Δx)
设最小运行温度的封装力比初始封装力小p倍，且p＜m，则
故根据电堆热胀冷缩封装力值的变化，关系系数n的取值范围为：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.装配燃料电池堆的双极板时，将双极板划分为中间区域和两边区域，与双极板中间区域接触的是碳纸、膜电极催化层和质子交换膜，与双极板两边区域接触的是气密封圈和膜电极边框膜；
S2.在燃料电池堆的水侧端板和水侧绝缘板之间装垫刚度不同的第一弹性元件和第二弹性元件，第一弹性元件和第二弹性元件为并联状态；根据第一弹性元件和第二弹性元件的刚度选择第一弹性元件和第二弹性元件的组数，通过第一弹性元件和第二弹性元件的选择使得分配到堆芯不同部位的封装力均匀，使每一节双极板平整无弯曲，应力分布均匀。
2.根据权利要求1所述的通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，其特征在于，设堆芯的封装力为：
F封装力＝K1△x1+K2△x2＝K3△x3+K4△x4
其中，K1为第一弹性元件刚度，K2为第二弹性元件刚度，K3为电堆两边等效刚度，K4为电堆中间等效刚度；Δx1为第一弹性元件变形量，Δx2为第二弹性元件变形量，Δx3为电堆两边变形量，Δx4为电堆中间变形量；
为保证堆芯受力均匀，水侧绝缘板应保持水平，与水侧端板保持平行，则在此封装力作用下△x1＝△x2，故△x3＝△x4，则
(K1+K2)△x1＝(K3+K4)△x3
则n为弹性元件的刚度与电堆等效刚度的关系系数，
其中K1＝nK3,K2＝nK4为其中一种优解。
3.根据权利要求2所述的通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，其特征在于，电堆两边等效刚度K3和电堆中间等效刚度K4为：
其中，E3表示电堆两边区域等效材料弹性模量，A3表示电堆两边区域在封装载荷方向上的截面积，l3表示电堆两边区域在封装载荷方向上的厚度；E4表示电堆中间区域等效材料弹性模量，A4表示电堆中间区域在封装载荷方向上的截面积，l4表示电堆中间区域在封装载荷方向上的厚度。
4.根据权利要求2所述的通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，其特征在于，找出堆芯最佳的封装力，求出相应的第一弹性元件和第二弹性元件的刚度，使得堆芯最终的封装力均匀分布。
5.根据权利要求2所述的通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，其特征在于，根据燃料电池堆热胀冷缩封装力值的变化，对关系系数n的取值范围进行确定。
6.根据权利要求5所述的通过弹性元件刚度匹配电堆刚度调整封装力的方法，其特征在于，在电堆两侧端板固定的情况下，所述根据燃料电池堆热胀冷缩封装力值的变化，对关系系数n的取值范围进行确定的方法为：
设k为电堆等效刚度，nk为弹性元件的刚度，m为电堆热胀冷缩刚度增加或减少的系数，x为弹性元件封装后初始变形量，Δx电堆热胀冷缩变形量，则
升温后堆芯的封装力为：
F升温＝nk*(x+Δx)＝(k+mk)(nx-Δx)
则n*(x+Δx)＝(1+m)(nx-Δx)
设最大运行温度的封装力比初始封装力大q倍，且q<m，则
减温后堆芯的封装力为：
F减温＝nk*(x-Δx)＝(k-mk)(nx+Δx)
则n*(x-Δx)＝(1-m)(nx+Δx)
设最小运行温度的封装力比初始封装力小p倍，且p<m，则
故根据电堆热胀冷缩封装力值的变化，关系系数n的取值范围为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |