[发明专利]一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法

权利要求书

1.一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法，其特征在于：利用力学理论将封装力作用下的燃料电池堆简化为等效刚度力学模型，模型采用类似于弹簧的弹性件表示，导出封装件变形量与结构内部封装载荷的对应关系式，然后对封装后各部件产生温度变形的情况进行补充修正，最后按照具体设计要求确定最佳的电池堆封装参数；具体步骤如下：

(1)将双极板划分为内、外两区域，二者在封装载荷方向上的等效刚度相互独立；内部区域是燃料流动、电流产生和传递区域，外部区域则是与密封件接触区域；进一步划分双极板内部区域，将所有循环出现的流场流道背脊单独划出，剩余部分组成双极板基板区域；最终双极板由三部分区域组成；双极板内部区域封装等效刚度为各流场流道背脊等效刚度并联后再与基板区域等效刚度串联而成；

(2)将燃料电池堆划分为内、外两区域，内部区域等效刚度为双极板内部区域、阳极、电解质、阴极等效刚度串联而成；外部区域等效刚度为双极板外部区域和密封件等效刚度串联而成；

流场流道背脊、双极板基板区域、阳极、电解质、阴极、双极板外部区域和密封件的等效刚度用公式(1)求得：

k=E·Al---(1)]]>

其中k表示封装等效刚度值，E表示部件材料弹性模量，A表示部件在封装载荷方向上的截面积，l表示部件在封装载荷方向上的厚度；

(3)电池堆结构封装的力学弹簧模型最终等效为：燃料电池堆内外两区域等效刚度弹簧均没有初始伸长量，其两端与端板连接，二者并联连接组成电池堆整体等效刚度；一侧端板固定，另一侧端板自由；封装件等效刚度弹簧一端与固定端板相连，另一端与自由端板之间留有空隙，空隙大小表征封装件变形量；根据力学模型，电池堆的整体封装等效刚度为：

k_{电池堆整体}＝k_{电池堆内部区域}+k_{电池堆外部区域}            (2)

(4)封装时，封装力使封装件等效刚度弹簧伸长与自由端板相连，在端板连接下，得到电池堆内外区域的封装位移量；封装结束后，整个燃料电池堆系统处于稳定状态，结构内部承受的封装载荷分布可由此区域等效刚度与其封装位移量的乘积求得；具体为，令封装件数目为C，封装件变形量为δ，其为矢量，其中δ在拉伸时取正值；封装后电池堆内外区域承受封装载荷为：

上式中F表示载荷，其为矢量，两区域承受封装载荷均为负值。

2.根据权利要求1所述的一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法，其特征还在于：部件温度变形对结构封装的影响在等效刚度模型基础上补充；自由状态下，部件在封装方向上产生的温度变形为：

ZT＝α_T·ΔT·l                        (5)

其中α_T表示部件的热膨胀系数，ΔT表示部件的温度变化，其为矢量，ZT表示部件的温度变形，其为矢量；

将部件温度变形按照等效刚度模型累加，分别得到自由状态下电池堆内外部区域温度变形ZT_{电池堆内部区域}和ZT_{电池堆外部区域}，然后与封装件温度变形ZT_封装件一起叠加到等效刚度模型上，此时温度应力与封装载荷组合后会重新进行力平衡与位移协调，结构产生新的温度变形量ZT_{电池堆整体}；燃料电池堆再次进入稳定状态，结构内部承受的封装载荷分布可由此区域等效刚度与其总封装位移量的乘积求得，具体为：

3.根据权利要求1或者2所述的一种使用等效刚度力学模型设计燃料电池堆整体封装的方法，其特征还在于：

(1)若封装前MEA厚度大于密封件厚度，等效刚度力学模型中外部区域弹簧与固定端板应保留间隙，封装初期只有电池堆内部区域弹簧承受封装载荷；当封装力加大到使间隙消除，电池堆内外区域才共同承受封装载荷；封装后，内部区域承受的总封装载荷为其等效刚度与电池堆总封装位移的乘积，外部区域承受的总封装载荷为其等效刚度与电池堆总封装位移与间隙之差的乘积；

(2)若封装前密封件厚度大于MEA厚度，等效刚度力学模型中内部区域弹簧与固定端板应保留间隙，封装初期只有电池堆外部区域弹簧承受封装载荷；当封装力加大到使间隙消除，电池堆内外区域才共同承受封装载荷；封装后，内部区域承受的总封装载荷为其等效刚度与电池堆总封装位移与间隙之差的乘积，外部区域承受的总封装载荷为其等效刚度与电池堆总封装位移的乘积。