一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法

本发明涉及氢燃料电池密封，尤其是涉及一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)在高纬度及高海拔等极寒地区的使用，要求pemfc的密封件在低温环境下依然具有良好的密封效果，以满足pemfc低温储存及低温启动的功能需求。低温环境，不仅橡胶密封件的超弹性性能发生衰退，而且由于温致收缩，密封件的几何尺寸也发生显著变化，使实际低温密封压缩量及压缩率有别于常温设计值，导致pemfc密封性能下降。

2、现有pemfc单电池的装配结构多数为双极板结构，如图2所示。该结构的主要元件包括双极板、密封件、膜电极组件(membrane electrolyte assembly，mea)、扩散层、mea边框等。pemfc电堆是由成百上千块的pemfc单电池构成，配件更是高达几千件。因此，在密封件在和极板装配的过程中难免会出现一些装配误差，而这些误差的累积可能会使电池堆的密封失效。同时在装配的过程中电池中用于密封的垫片的高度尺寸一般只有不到1mm，而长度却能超过100mm，这种尺寸差容易使制造出来的垫片存在较大的尺寸误差。另外垫片在和极板粘接的过程中也会因为胶水的涂布不均匀而使粘接后的垫片密封表面上出现高度波动，从而对电池的密封性能产生影响。

3、低温环境，受温致收缩影响，pemfc电堆的制造误差和装配误差对于电堆密封性能的影响更为显著。pemfc反应气体氢气易燃易爆炸，且密封具有整体性，一点密封失效会导致整体密封效果变差，因此，对于密封效果有着极高的要求。由于电堆在封装后不易拆装，难以进行单片的力学测试与泄漏率测试。综上所述，需要一种基于理论指导的泄漏率预测方法，来对存在制造误差及装配误差的pemfc低温密封性能进行预测，并指导面向低温的密封结构设计。

4、现有工况条件研究主要针对常温及高温环境，密封性能的研究对象主要为单电池，缺少相关理论可以指导pemfc电堆的低温密封结构设计。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，包括以下步骤：

4、s1、建立计入制造误差及装配误差的低温电堆几何模型，电堆分为n层，其对应的密封件为2n层，每层密封件对应2个密封面，共有4n个密封面；

5、s2、对建立好的计入制造误差及装配误差的低温电堆模型，进行低温接触力学仿真，获得电堆各层密封件接触表面的平均接触应力及接触长度；

6、s3、基于平均接触应力，根据罗斯模型拟合得到对应层数的密封件接触表面之间的变形后密封间隙高度，基于变形后密封间隙高度和接触长度计算对应层数的密封件接触表面的泄漏率。

7、进一步地，建立计入制造误差及装配误差的低温电堆几何模型的具体步骤为：

8、获取密封件的常温设计厚度h，引入密封件的制造误差，得到计入制造误差的常温密封件厚度h1；

9、基于冷缩现象，从计入制造误差的常温密封件厚度h1中引入温度参数，得到冷缩的常温密封件厚度h’；

10、基于弹性弱化，从冷缩的常温密封件厚度h’中引入弹性弱化系数，得到弹性弱化的常温密封件厚度h2；

11、确定密封件的设计装配位置，引入装配误差，得到计入装配误差的密封件装配位置；

12、基于弹性弱化的常温密封件厚度h2和计入装配误差的密封件装配位置，得到计入制造误差及装配误差的低温电堆几何模型。

13、进一步地，制造误差和装配误差的随机分布基于服从正态分布的2n个随机数模拟。

14、进一步地，计入制造误差的常温密封件厚度h1为：

15、h1＝h×α

16、其中，h为密封件的常温设计厚度，h1为计入制造误差的常温密封件厚度，α为密封件的制造误差。

17、进一步地，冷缩的常温密封件厚度h’为：

18、h’＝α×h×[1+ω×(t1-t0)]

19、其中，h1为计入制造误差的常温密封件厚度，α为密封件的制造误差，ω为橡胶密封件的膨胀系数，t0为初始温度，t1为低温环境温度。

20、进一步地，弹性弱化的常温密封件厚度h2为：

21、h2＝b+kc×{h×α×[1+ω×(t1-t0)]-b}

22、其中，kc为橡胶材料的压缩耐寒系数，b为密封槽深度，α为密封件的制造误差，ω为橡胶密封件的膨胀系数，t0为初始温度，t1为低温环境温度，h为密封件的常温设计厚度。

23、进一步地，密封件的材料为三元乙丙橡胶。

24、进一步地，拟合得到的变形后密封间隙高度为：

25、

26、其中，δ为变形后密封间隙高度，δ0为变形前高度，sg为接触区平均应力，rc为三元乙丙橡胶的密封系数。

27、进一步地，密封件接触表面的泄漏率为：

28、

29、其中，q为密封件接触表面的泄漏率，μ为反应气体粘度系数；l为密封截面接触长度；δp为密封件两侧气体压差；b为密封宽度，δ为变形后密封间隙高度。

30、进一步地，三元乙丙橡胶的密封系数为：

31、

32、其中，sg为接触区平均应力。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明分析处于装配状态下的pemfc电堆的泄漏情况，分析了电堆各层之间的制造误差及装配误差对于泄漏率的影响；同时，关注pemfc的低温密封性能，研究低温环境下pemfc的泄漏率，提供了一种计算计入装配和制造误差的氢燃料电池电堆低温泄漏率计算方法，通过计入制造误差及装配误差，详细的分析各层密封面的低温泄漏率，低温泄漏率的分析准确性高，为燃料电池密封件低温密封性能的进一步优化提供理论指导。

技术特征：

1.一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，建立计入制造误差及装配误差的低温电堆几何模型的具体步骤为：

3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，制造误差和装配误差的随机分布基于服从正态分布的2n个随机数模拟。

4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，计入制造误差的常温密封件厚度h1为：

5.根据权利要求4所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，冷缩的常温密封件厚度h’为：

6.根据权利要求5所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，弹性弱化的常温密封件厚度h2为：

7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，密封件的材料为三元乙丙橡胶。

8.根据权利要求7所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，拟合得到的变形后密封间隙高度为：

9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，密封件接触表面的泄漏率为：

10.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，其特征在于，三元乙丙橡胶的密封系数为：

技术总结
本发明涉及一种氢燃料电池电堆低温泄漏率分析方法，包括以下步骤：S1、建立计入制造误差及装配误差的低温电堆几何模型，电堆分为n层，其对应的密封件为2n层，每层密封件对应2个密封面，共有4n个密封面；S2、对建立好的计入制造误差及装配误差的低温电堆模型，进行低温接触力学仿真，获得电堆各层密封件接触表面的平均接触应力及接触长度；S3、基于平均接触应力，根据Roth模型拟合得到对应层数的密封件接触表面之间的变形后密封间隙高度，基于变形后密封间隙高度和接触长度计算对应层数的密封件接触表面的泄漏率。与现有技术相比，本发明具有分析准确性高等优点。

技术研发人员：朱文峰,董睿韬
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15