[发明专利]一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法

说明书

本发明提供一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法，属于燃料电池堆系统封装技术领域，利用力学理论和可靠性理论对电池堆进行简化，依次确定出电堆内组件的可靠度随接触应力的变化规律，进而确定各组件的最佳接触应力，通过对电堆组件的尺寸和封装力进行设计，实现了提升电堆可靠度的目的。本发明方便快捷、灵活多变，在保证封装精度的情况下能够极大减少计算耗费，缩短电池堆封装设计周期。

技术领域

本发明属于燃料电池堆系统封装技术领域，尤其涉及到一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法。

背景技术

环境污染和能源危机迫使各国政府和科研机构对燃料电池(Fuel cell)这类清洁高效能源的研发投入越来越大。燃料电池被公认为是新世纪最有前途的新型能源之一。为满足实际需求，将多级单层燃料电池封装形成电堆进行使用。由于每级单电池均包含多个组件，封装力的作用使组件之间产生接触应力，接触应力的存在会影响组件的性能。研究资料表明：过大的接触应力会导致组件发生塑性变形甚至破坏；过小的接触应力会造成组件间的接触电阻过大、密封性能差产生泄漏。这些都会导致电堆的可靠性较低，容易在使用过程中发生故障，导致电堆的性能达不到预期结果，因此确定组件可靠性随接触应力的变化规律，进而确定最优接触应力具有重大意义。但是目前鲜有相关研究，这是因为电堆包含组件数目巨大、计算量过大，相关的电堆封装研究中，各变量被当作固定值未考虑随机性。根据可靠性理论的概念，结构不可避免的受到各种各样外界因素的影响，因而具有随机性。

电堆的可靠性由各组件的可靠性共同决定，只有使各组件的可靠性同时达到较高水平才能保证电堆的可靠性处在较高水平。但是单纯的设计电堆封装力很难实现各组件上接触应力的协调，可能会导致某一组件性能很好，其他组件出现失效的现象。总而言之，迫切需要一种行之有效的对电堆进行可靠性设计的方法。

发明内容

本发明目的在于建立一种高可靠性大型燃料电池堆设计方法，从根本上克服有限元方法计算量大、灵活性差、设计周期长的缺点，弥补目前国内关于电堆可靠性设计领域的空白。利用该方法，设计者只需通过简单的测量和计算便可确定出各组件的最佳接触应力和使电堆维持最佳可靠性的封装力与组件结构。

本发明核心是利用可靠性理论，将分析中涉及到的各变量当作随机变量，以等效刚度力学模型和应力-强度分布干涉模型为工具，计算出各组件可靠性随接触应力的变化规律。然后根据实际应用在对产品可靠度等级的需求确定出组件最佳接触应力，最后按照可靠性的设计理念，对电堆的封装力和组件厚度进行设计，获得了使各组件分别处于最佳接触应力的封装力和组件厚度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种高可靠性燃料电池堆封装设计方法，高可靠性指电堆封装后可靠度能够达到0.9999。燃料电池堆由多级单电池周期性排列组成，所述的单电池的结构为：膜电极MEA位于单电池中部，密封件gasket包覆在膜电极MEA的边缘，膜电极MEA由两层气体扩散层GDL及其夹层质子交换膜PEM组成，双极板BPP位于膜电极MEA的两侧。对燃料电池堆的核心反应区域-膜电极MEA与密封件gasket的厚度差进行设计。设计方法具体包括以下步骤：

第一步，根据组件强度准则确定强度分布

采用均值和变异系数(CV)表征组件强度的分布，假设组件的强度及涉及到的各变量服从高斯分布，其中组件强度为广义量，指组件正常工作所能承受的临界应力，由组件的性能指标和屈服极限决定，每一个组件上均存在强度上限和下限，组件的强度上限和下限即为强度的均值上限和下限。组件强度准则包括组件的性能指标和屈服极限。

结合各组件强度准则，确定不同组件上相应的强度上下限。组件gasket的强度上下限由材料的屈服极限和确保密封性能的最小密封压力决定；组件PEM的强度上下限由材料的屈服极限和电堆内部反应气体的压强决定；组件GDL的强度上下限由渗透率和界面接触电阻决定。

第二步，利用等效刚度模型和均值一阶二次矩法，确定不同组件上的应力分布