專利名稱：：一種使用等效剛度力學(xué)模型設(shè)計(jì)燃料電池堆整體封裝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于燃料電池堆系統(tǒng)封裝
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及到一種燃料電池堆封裝設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)其內(nèi)部作用力的方法。
背景技術(shù)：
：燃料電池(FuelCell)被譽(yù)為21世紀(jì)前50年最為理想的能源之一，有望在未來(lái)成為移動(dòng)、非移動(dòng)能源的生力軍。自上世紀(jì)60年代燃料電池真正走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用至今，如何提高其工作效率一直是世界各國(guó)科研工作者的研究方向之一。人們發(fā)現(xiàn)，燃料電池堆系統(tǒng)封裝力(ClampingForce)是影響其工作效率的重要因素過(guò)小的封裝力會(huì)使部件界面間接觸電阻增大、密封層產(chǎn)生泄露，過(guò)大的封裝力則會(huì)使部件發(fā)生塑性變形甚至破壞。某些類型燃料電池，如固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell,簡(jiǎn)稱SOFC)，其工作溫度可高達(dá)IOO(TC，即使在室溫條件下找到了最佳封裝力，各組成部件在如此大的溫差下產(chǎn)生的溫度變形同樣會(huì)導(dǎo)致電堆封裝失效。因此對(duì)燃料電池堆進(jìn)行最佳結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)十分重要。從嚴(yán)格意義上講，封裝設(shè)計(jì)必須對(duì)燃料電池堆整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)"熱力+機(jī)械"耦合非線性有限元分析，但電池堆復(fù)雜、多尺度的幾何特性會(huì)使計(jì)算模型的自由度達(dá)到幾百萬(wàn)甚至更多，以現(xiàn)有的個(gè)人計(jì)算機(jī)乃至小型工作站根本無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，人們只能依靠經(jīng)驗(yàn)或者反復(fù)做實(shí)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)封裝，不僅耗費(fèi)了大量資源，設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性也得不到保證。到目前為止國(guó)際上還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種方便實(shí)用的燃料電池堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)技術(shù)?？偠灾?，迫切需要一種行之有效的燃料電池堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)方法
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于建立一種燃料電池堆結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)方法，從根本上克服有限元方法計(jì)算量大、靈活性差、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，使設(shè)計(jì)者只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量和計(jì)算便可得到燃料電池堆在封裝載荷方向上的等效剛度(下簡(jiǎn)稱封裝等效剛度)及結(jié)構(gòu)內(nèi)部封裝載荷的分布，大大提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)省設(shè)計(jì)成本耗費(fèi)。"剛度"是零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力，承受各種變形的彈性件均可等效為力學(xué)彈簧模型，復(fù)雜的電池堆封裝等效剛度同樣可以視為各組成部件等效剛度的組合。本發(fā)明核心是利用力學(xué)理論將封裝力作用下的燃料電池堆簡(jiǎn)化為等效剛度力學(xué)模型，導(dǎo)出封裝件變形量與結(jié)構(gòu)內(nèi)部封裝載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，然后對(duì)封裝后各部件產(chǎn)生溫度變形的情況進(jìn)行補(bǔ)充修正，最后按照具體設(shè)計(jì)要求確定最佳的電池堆封裝參數(shù)。本發(fā)明還針對(duì)質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane,下簡(jiǎn)稱PEM)燃料電池堆封裝前三合一膜電極(MEA)與密封件不等厚的情況進(jìn)行了補(bǔ)充。本發(fā)明主要以PEM燃料電池堆結(jié)構(gòu)為例，同樣適用于結(jié)構(gòu)類似的其它板式燃料電池堆。本發(fā)明具體內(nèi)容如下1.燃料電池堆封裝結(jié)構(gòu)的等效力學(xué)模型力學(xué)模型可使用任意彈性件表征結(jié)構(gòu)剛度值，本發(fā)明中使用彈簧來(lái)表征結(jié)構(gòu)剛度值。(1)將雙極板劃分為內(nèi)、外兩區(qū)域，二者在封裝載荷方向上的等效剛度相互獨(dú)立。內(nèi)部區(qū)域是燃料流動(dòng)、電流產(chǎn)生和傳遞的區(qū)域，外部區(qū)域則是與密封件的接觸區(qū)域。進(jìn)一步劃分雙極板內(nèi)部區(qū)域，將所有循環(huán)出現(xiàn)的流場(chǎng)流道背脊單獨(dú)劃出，剩余部分組成雙極板基板區(qū)域。最終雙極板由三部分區(qū)域組成，如圖(1)所示。雙極板內(nèi)部區(qū)域封裝等效剛度為各流道背脊等效剛度并聯(lián)后再與基板區(qū)域等效剛度串聯(lián)而成。(2)將燃料電池堆同樣劃分為內(nèi)、外兩區(qū)域，內(nèi)部區(qū)域等效剛度為雙極板內(nèi)部區(qū)域、陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極等效剛度串聯(lián)而成；外部區(qū)域等效剛度為雙極板外部區(qū)域和密封件等效剛度串聯(lián)而成。以上各部件的等效剛度用公式(1)求得五y4(1)其中A表示封裝等效剛度值，E表示部件材料彈性模量，^表示部件在封裝載荷方向上的截面積，/表示部件在封裝載荷方向上的厚度。(3)電池堆結(jié)構(gòu)封裝的力學(xué)彈簧模型最終等效為內(nèi)外兩區(qū)域等效剛度彈簧均沒(méi)有初始伸長(zhǎng)量，其兩端與端板連接，二者并聯(lián)連接組成電池堆整體等效剛度；一側(cè)端板固定，另一側(cè)端板自由；封裝件等效剛度彈簧一端與固定端板相連，另一端與自由端板之間留有空隙，空隙大小表征封裝件變形量，如圖(2)所示。根據(jù)力學(xué)模型，電池堆的整體封裝等效剛度為:A電池堆整體=A電池堆內(nèi)部區(qū)域+A電池堆外部區(qū)域(2)(4)封裝時(shí)，封裝力使封裝件等效剛度彈簧伸長(zhǎng)與自由端板相連，在端板連接下，三者會(huì)進(jìn)行力平衡和位移協(xié)調(diào)過(guò)程，可以得到電池堆內(nèi)外區(qū)域的封裝位移量。封裝結(jié)束后，整個(gè)燃料電池堆系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受的封裝載荷分布可由此區(qū)域等效剛度與其封裝位移量的乘積求得。具體為，令封裝件數(shù)目為C，封裝件變形量為5(矢量)，其中5在拉伸時(shí)取正值。封裝后電池堆內(nèi)外區(qū)域承受封裝載荷為f，電池堆內(nèi)部區(qū)域=_&電池堆內(nèi)部區(qū)域^^電池堆外部區(qū)域=-A電池堆外部區(qū)域'.cA封裝件+^電池堆整體乂^.總封裝件.^C'^封裝件十^電池堆整體乂(3)(4)上式中^表示載荷(矢量)，兩區(qū)域承受封裝載荷均為負(fù)值。2.對(duì)封裝后各部件產(chǎn)生溫度變形情況的補(bǔ)充修正封裝后，處于穩(wěn)定狀態(tài)的燃料電池堆結(jié)構(gòu)會(huì)限制部件的溫度變形，因此在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)不可避免的出現(xiàn)溫度應(yīng)力。部件溫度變形對(duì)結(jié)構(gòu)封裝的影響可以在等效剛度模型基礎(chǔ)上補(bǔ)充。自由狀態(tài)下，部件在封裝方向上產(chǎn)生的溫度變形為zr="r.Ar./(5)其中c^表示部件的熱膨脹系數(shù)，Ar表示部件的溫度變化(矢量)，zr表示部件的溫度變形(矢量)。將部件溫度變形按照等效剛度模型累加，分別得到自由狀態(tài)下電池堆內(nèi)外部區(qū)域溫度變形2T電池堆內(nèi)部區(qū)域和zr電池堆外部區(qū)域，然后與封裝件溫度變形zr封裝件一^ft力口至U，效岡U度模Mi，it匕時(shí)顯^^z力與圭寸^載荷纟且^后會(huì)i新jt行力平衡與位移協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的溫度變形量Z7^^^^^，如圖G)所示。燃料電池堆再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受的封裝載荷分布可由此區(qū)域等效剛度與其總封裝位移量的乘積求得，具體為^^電池堆內(nèi)部區(qū)域=^電池堆內(nèi)部區(qū)域^電池堆外部區(qū)域二A電池堆外部區(qū)域zj電池堆整體—T^"TITzi電池堆內(nèi)部區(qū)域.l^封裝件+^電池堆整體乂(6)C■%裝件57T、z7電池堆整體—7T"^77zj電池堆外部區(qū)域.lk封裝件+k電池堆整體乂(7)3.對(duì)封裝前MEA與密封件不等厚情況的補(bǔ)充修正若封裝前MEA厚度大于密封件厚度，此時(shí)等效剛度力學(xué)模型中外部區(qū)域彈簧與固定端板應(yīng)保留間隙，封裝初期只有電池堆內(nèi)部區(qū)域彈簧承受封裝載荷；當(dāng)封裝力加大到使間隙消除，也就是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的封裝位移與間隙相等時(shí)，電池堆內(nèi)外區(qū)域才共同承受封裝載荷。這種情況下內(nèi)部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移的乘積，外部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移與間隙之差的乘積。若封裝前密封件厚度大于MEA厚度，此時(shí)等效剛度力學(xué)模型中內(nèi)部區(qū)域彈簧與固定端板應(yīng)保留間隙，封裝初期只有電池堆外部區(qū)域彈簧承受封裝載荷；當(dāng)封裝力加大到使間隙消除，也就是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的封裝位移與間隙相等時(shí)，電池堆內(nèi)外區(qū)域才共同承受封裝載荷。這種情況下內(nèi)部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移與間隙之差的乘積，外部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移的乘積。本發(fā)明的封裝設(shè)計(jì)方法從根本上建立起一套系統(tǒng)分析與結(jié)構(gòu)分解燃料電池堆的封裝技術(shù)。本發(fā)明的效果和益處是設(shè)計(jì)工作者只需將電池堆產(chǎn)品部件的外型尺寸和材料彈性模量代入模型公式，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算即可對(duì)不同工作環(huán)境下、不同型號(hào)燃料電池堆的結(jié)構(gòu)封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1是雙極板區(qū)域劃分示意。圖2是圖電池堆整體等效剛度模型示意圖。圖3是封裝后考慮溫度變形的電池堆等效剛度模型示意圖。圖中1基板區(qū)域；2流場(chǎng)流道背脊區(qū)域；3與密封件接觸區(qū)域；4電池堆內(nèi)部區(qū)域等效剛度；5電池堆外部區(qū)域等效剛度；6封裝件等效剛度；7端板；8封裝后電池堆內(nèi)部區(qū)域溫度變形；9封裝后電池堆外部區(qū)域溫度變形；10封裝件溫度變形；ll封裝后電池堆整體溫度變形。具體實(shí)施例方式以設(shè)計(jì)某型號(hào)單級(jí)PEM燃料電池產(chǎn)品封裝力為例，詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體步驟如下(1)測(cè)量各組成部件的外形尺寸和材料彈性模量，利用公式(1)得到各部件的等效剛度值。(2)利用本發(fā)明建立的等效剛度力學(xué)模型，將各部件的等效剛度進(jìn)行串并聯(lián)組合，最終利用公式(2)得到電池堆整體封裝等效剛度。(3)利用公式(3)和(4)得到內(nèi)外區(qū)域承受封裝載荷值，并根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況對(duì)公式進(jìn)行考慮溫度變形等情況的補(bǔ)充修正，最后結(jié)合設(shè)計(jì)要求得到封裝載荷取值范圍。(4)對(duì)不符合許用要求的部件或封裝件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到新的設(shè)計(jì)方案，然后重復(fù)步驟(1)(4)，直至設(shè)計(jì)出產(chǎn)品電池堆的最佳結(jié)構(gòu)封裝。對(duì)比驗(yàn)算采用有限元方法計(jì)算本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等效剛度。有限元模型選取1/8電池結(jié)構(gòu)，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為240211，單元總數(shù)為195516，組成部件之間使用非線性接觸連接。計(jì)算設(shè)備配置為主頻2.4GHz四核心CPU，內(nèi)存4GB，硬盤300GB，四核并行計(jì)算耗時(shí)10小時(shí)。計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表l。表1本發(fā)明預(yù)報(bào)若干組件等效剛度與三維有限元計(jì)算結(jié)果比較<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>可以看出兩者可以很好的吻合，尤其是整體結(jié)構(gòu)等效剛度值相對(duì)誤差在3%以下，從而驗(yàn)證本發(fā)明等效剛度模型的正確性。不過(guò)在計(jì)算單級(jí)燃料電池等效剛度時(shí)，本發(fā)明方法比有限元方法快了50倍，如果擴(kuò)展到更加龐大的燃料電池堆結(jié)構(gòu)，有限元方法則可能無(wú)法在可接受時(shí)間內(nèi)得到計(jì)算結(jié)果，但使用本發(fā)明建立的方法依然可以方便快捷的進(jìn)行燃料電池堆封裝力設(shè)計(jì)。另外，本發(fā)明可以靈活計(jì)算溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)封裝力的影響，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法則必須進(jìn)行更為復(fù)雜的"熱力+機(jī)械"耦合有限元計(jì)算，計(jì)算消耗將進(jìn)一步加大。本發(fā)明的具體實(shí)施方式在各方面應(yīng)被視為例示性而非限制性實(shí)施例，所有的改變只要合乎本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍或?yàn)槠浼夹g(shù)實(shí)施方式等效者，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范疇中。權(quán)利要求1.一種使用等效剛度力學(xué)模型設(shè)計(jì)燃料電池堆整體封裝的方法，其特征在于利用力學(xué)理論將封裝力作用下的燃料電池堆簡(jiǎn)化為等效剛度力學(xué)模型，模型采用類似于彈簧的彈性件表示，導(dǎo)出封裝件變形量與結(jié)構(gòu)內(nèi)部封裝載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，然后對(duì)封裝后各部件產(chǎn)生溫度變形的情況進(jìn)行補(bǔ)充修正，最后按照具體設(shè)計(jì)要求確定最佳的電池堆封裝參數(shù)；具體步驟如下(1)將雙極板劃分為內(nèi)、外兩區(qū)域，二者在封裝載荷方向上的等效剛度相互獨(dú)立；內(nèi)部區(qū)域是燃料流動(dòng)、電流產(chǎn)生和傳遞區(qū)域，外部區(qū)域則是與密封件接觸區(qū)域；進(jìn)一步劃分雙極板內(nèi)部區(qū)域，將所有循環(huán)出現(xiàn)的流場(chǎng)流道背脊單獨(dú)劃出，剩余部分組成雙極板基板區(qū)域；最終雙極板由三部分區(qū)域組成；雙極板內(nèi)部區(qū)域封裝等效剛度為各流道背脊等效剛度并聯(lián)后再與基板區(qū)域等效剛度串聯(lián)而成；(2)將燃料電池堆劃分為內(nèi)、外兩區(qū)域，內(nèi)部區(qū)域等效剛度為雙極板內(nèi)部區(qū)域、陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極等效剛度串聯(lián)而成；外部區(qū)域等效剛度為雙極板外部區(qū)域和密封件等效剛度串聯(lián)而成；以上各部件的等效剛度用公式(1)求得其中k表示封裝等效剛度值，E表示部件材料彈性模量，A表示部件在封裝載荷方向上的截面積，l表示部件在封裝載荷方向上的厚度；(3)電池堆結(jié)構(gòu)封裝的力學(xué)彈簧模型最終等效為內(nèi)外兩區(qū)域等效剛度彈簧均沒(méi)有初始伸長(zhǎng)量，其兩端與端板連接，二者并聯(lián)連接組成電池堆整體等效剛度；一側(cè)端板固定，另一側(cè)端板自由；封裝件等效剛度彈簧一端與固定端板相連，另一端與自由端板之間留有空隙，空隙大小表征封裝件變形量；根據(jù)力學(xué)模型，電池堆的整體封裝等效剛度為k電池堆整體＝k電池堆內(nèi)部區(qū)域+k電池堆外部區(qū)域(2)(4)封裝時(shí)，封裝力使封裝件等效剛度彈簧伸長(zhǎng)與自由端板相連，在端板連接下，得到電池堆內(nèi)外區(qū)域的封裝位移量；封裝結(jié)束后，整個(gè)燃料電池堆系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受的封裝載荷分布可由此區(qū)域等效剛度與其封裝位移量的乘積求得；具體為，令封裝件數(shù)目為C，封裝件變形量為δ(矢量)，其中δ在拉伸時(shí)取正值；封裝后電池堆內(nèi)外區(qū)域承受封裝載荷為上式中F表示載荷(矢量)，兩區(qū)域承受封裝載荷均為負(fù)值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用等效剛度力學(xué)模型設(shè)計(jì)燃料電池堆整體封裝的方法，其特征還在于部件溫度變形對(duì)結(jié)構(gòu)封裝的影響在等效剛度模型基礎(chǔ)上補(bǔ)充；自由狀態(tài)下，部件在封裝方向上產(chǎn)生的溫度變形為(5)其中c^表示部件的熱膨脹系數(shù)，Ar表示部件的溫度變化(矢量)，ZT表示部件的溫度變形(矢量)；將部件溫度變形按照等效剛度模型累加，分別得到自由狀態(tài)下電池堆內(nèi)外部區(qū)域溫度變形zr電池堆內(nèi)部區(qū)域和zr電池堆外鵬域，然后與封裝件溫度變形zr封裝件一起疊加到等效剛度模型上，此時(shí)溫度應(yīng)力與封裝載荷組合后會(huì)重新進(jìn)行力平衡與位移協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的溫度變形量Z7^^，^^;燃料電池堆再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受的封裝載荷分布可由此區(qū)域等效剛度與其總封裝位移量的乘積求得，具體為:f，電池堆內(nèi)部區(qū)域=A電池堆內(nèi)部區(qū)域f，電池堆外部區(qū)域A電池堆外部區(qū)域zi電池堆整體—7^"T17zj電池堆內(nèi)部區(qū)域、L■K封裝件+電池堆整體J(6)C&封裝件'5^T電池堆整體—ZT電池堆外部區(qū)域、L'/f封裝件+K電池堆整體乂(7)3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的一種使用等效剛度力學(xué)模型設(shè)計(jì)燃料電池堆整體封裝的方法，其特征還在于(1)若封裝前MEA厚度大于密封件厚度，等效剛度力學(xué)模型中外部區(qū)域彈簧與固定端板應(yīng)保留間隙，封裝初期只有電池堆內(nèi)部區(qū)域彈簧承受封裝載荷；當(dāng)封裝力加大到使間隙消除，電池堆內(nèi)外區(qū)域才共同承受封裝載荷；封裝后，內(nèi)部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移的乘積，外部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移與間隙之差的乘積；(2)若封裝前密封件厚度大于MEA厚度，等效剛度力學(xué)模型中內(nèi)部區(qū)域彈簧與固定端板應(yīng)保留間隙，封裝初期只有電池堆外部區(qū)域彈簧承受封裝載荷;當(dāng)封裝力加大到使間隙消除，電池堆內(nèi)外區(qū)域才共同承受封裝載荷；封裝后，內(nèi)部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移與間隙之差的乘積，外部區(qū)域承受的總封裝載荷為其等效剛度與電池堆總封裝位移的乘積。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種使用等效剛度力學(xué)模型設(shè)計(jì)燃料電池堆整體封裝的方法，其特征是利用力學(xué)理論將封裝力作用下的燃料電池堆簡(jiǎn)化為等效剛度力學(xué)模型，導(dǎo)出封裝件變形量與結(jié)構(gòu)內(nèi)部封裝載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系式，然后對(duì)封裝后各部件產(chǎn)生溫度變形的情況進(jìn)行補(bǔ)充修正，最后按照具體設(shè)計(jì)要求確定最佳的電池堆封裝參數(shù)。本發(fā)明還針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池堆封裝前三合一膜電極與密封件不等厚的情況進(jìn)行了補(bǔ)充。本發(fā)明從根本上克服了有限元方法計(jì)算量大、靈活性差、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量和計(jì)算便可得到燃料電池堆在封裝載荷方向上的等效剛度及結(jié)構(gòu)內(nèi)部封裝載荷的分布，在保證封裝精度的情況下能夠極大減少計(jì)算耗費(fèi)，縮短電池堆封裝設(shè)計(jì)周期。文檔編號(hào)G06F17/50GK101477586SQ20091001013公開(kāi)日2009年7月8日申請(qǐng)日期2009年1月14日優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日發(fā)明者吳承偉,平周,鵬林,馬國(guó)軍申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)