一种燃料电池电堆极板滑移量预估方法

1.本发明涉及燃料电池电堆装配设计技术领域，特别是一种燃料电池电堆极板滑移量预估方法。


背景技术：

2.在能源制约、环境污染等大背景下，燃料电池由于其发电效率高、环境污染少等诸多优点，逐渐应用于工业、住屋、交通等领域，具有广泛的应用前景。氢燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能高效无污染的转化为电能的反应装置，它主要由阳极板、阴极板和电解质隔膜组成。由于单电池输出电流有限，在实际应用中，必须堆叠起来，然后在端板上用紧固件把电堆夹紧。由于当前燃料电池越来越趋向于高压化，导致电堆体积更大、跨度更长，在自身重力的作用下，极板间会出现相对滑移，整体显示出向下弯曲的现象。从而进一步加剧极板压力分布不均的情况，甚至导致氢气泄露的后果，降低了燃料电池的使用寿命与使用效率。目前，尚没有对极板在重力作用下的滑移量进行定量研究，无法定量为设计人员预估极板的滑移提供依据。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
4.鉴于上述和/或现有的电堆极板滑移量预估时存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明所要解决的问题在于现有技术中无法定量预估电堆极板滑移量，本发明能准确定量预估电堆极板滑移量。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种燃料电池电堆极板滑移量预估方法，其包括以下步骤，
7.建立燃料电池电堆模型；
8.以电堆最靠近一侧端板的极板为第1片，以最靠近另一侧端板的极板即最后一片极板为第n片，定义n为极板总片数；
9.以工况中与极板受力方向平行的极板边长度为b，与其相垂直的边长为a，单片极板厚度为c，单片极板质量为m；
10.计算第n片极板的滑移量。
11.作为本发明所述燃料电池电堆极板滑移量预估方法的一种优选方案，其中：第n片极板的滑移量y计算公式为，
[0012][0013]
其中，e
eff
为等效杨氏模量，以重力的反方向为正方向。
[0014]
本发明有益效果为：本发明能在已知不同极板规格的情况下准确计算出燃料电池
电堆中每块极板的滑移量，为燃料电池电堆的装配设计提供依据。
附图说明
[0015]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0016]
图1为本发明中燃料电池电堆模型的受力图。
[0017]
图2为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.76，f＝20kn时极板滑移量的仿真结果图。
[0018]
图3为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.76，f＝20kn时极板滑移量的散点图和拟合曲线图。
[0019]
图4为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.76，f＝20kn时预估滑移量相对于仿真结果的误差散点图。
[0020]
图5为本发明a＝300mm，b＝136mm，c＝2mm，m＝0.1547kg，n＝100，f＝0.76，f＝20kn时极板滑移量的仿真结果图。
[0021]
图6为本发明a＝300mm，b＝136mm，c＝2mm，m＝0.1547kg，n＝100，f＝0.76，f＝20kn时极板滑移量的散点图和拟合曲线图。
[0022]
图7为本发明a＝300mm，b＝136mm，c＝2mm，m＝0.1547kg，n＝100，f＝0.76，f＝20kn时预估滑移量相对于仿真结果的误差散点图。
[0023]
图8为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.66，f＝20kn时极板滑移量的仿真结果图。
[0024]
图9为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.66，f＝20kn时极板滑移量的散点图和拟合曲线图。
[0025]
图10为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.66，f＝20kn时预估滑移量相对于仿真结果的误差散点图。
[0026]
图11为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.76，f＝30kn时极板滑移量的仿真结果图。
[0027]
图12为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.76，f＝30kn时极板滑移量的散点图和拟合曲线图。
[0028]
图13为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝100，f＝0.76，f＝30kn时预估滑移量相对于仿真结果的误差散点图。
[0029]
图14为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝200，f＝0.76，f＝20kn时极板滑移量的仿真结果图。
[0030]
图15为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝200，f＝0.76，f＝20kn时极板滑移量的散点图和拟合曲线图。
[0031]
图16为本发明a＝426mm，b＝180mm，c＝2mm，m＝0.26876kg，n＝200，f＝0.76，f＝20kn时预估滑移量相对于仿真结果的误差散点图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0033]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0034]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0035]
实施例1
[0036]
其为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种燃料电池电堆极板滑移量预估方法，其包括以下步骤：
[0037]
(s1)建立燃料电池电堆模型；
[0038]
(s2)以电堆最靠近一侧端板的极板为第1片，以最靠近另一侧端板的极板即最后一片极板为第n片，定义n为极板总片数；
[0039]
(s3)以工况中与重力方向平行的极板边长度为b，与其相垂直的边长为a，单片极板厚度为c，单片极板质量为m；
[0040]
(s4)计算第n片极板的滑移量，第n片极板的滑移量y计算公式为，
[0041][0042]
其中，e
eff
为等效杨氏模量，以重力的反方向为正方向。
[0043]
本发明的计算公式简单，残差较小，计算量小，适用于各种燃料电池内各极板在重力下滑移量的预估；能在已知不同极板规格的情况下准确计算出燃料电池电堆中每块极板的滑移量，为燃料电池电堆的装配设计提供依据。
[0044]
实施例2
[0045]
参照图1～图4，为本发明第二个实施例，该实施例以科学验证的手段验证使用本技术中的方法能实现在重力下滑移量的预估。
[0046]
本实施例使用有限元仿真分析软件对燃料电池堆进行仿真模拟，并将仿真模拟后得到的数据与使用本发明计算的数据进行对比。
[0047]
石墨双极板长a＝426mm，宽b＝180mm，厚c＝2mm，质量m＝0.26876kg。
[0048]
极板总数n＝100片，极板间摩擦系数f＝0.76，电堆夹紧力为f＝20000n，e
eff
＝35.42303mpa。
[0049]
计算步骤如下，
[0050]
(1)根据滑移量计算公式：
[0051][0052]
(2)计算第20片极板的滑移量：
[0053][0054]
仿真结果如图2，其滑移量为-0.00225641mm，拟合曲线如图3，与计算结果误差在5％以内如图4所示；
[0055]
(3)计算第70片极板的滑移量：
[0056][0057]
仿真结果如图2，其滑移量为-0.00307786mm，拟合曲线如图3，与计算结果误差在1％以内，如图4所示。
[0058]
实施例3
[0059]
参照图1、图5～图7，为本发明的第三个实施例，本实施例使用有限元仿真分析软件对燃料电池堆进行仿真模拟，并将仿真模拟后得到的数据与使用本发明计算的数据进行对比，即以科学论证的手段对比计算结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0060]
石墨双极板长a＝300mm，宽b＝136mm，厚c＝2mm，质量m＝0.1547kg。
[0061]
极板总数n＝100片，极板间摩擦系数f＝0.76，电堆夹紧力为f＝20000n，e
eff
＝88.61239mpa。
[0062]
计算步骤如下，
[0063]
(1)根据滑移量计算公式：
[0064][0065]
(2)计算第45片极板的滑移量：
[0066][0067]
仿真结果如图5，其滑移量为-0.0027453mm，拟合曲线如图6，与计算结果误差在2％以内如图7所示；
[0068]
(3)计算第82片极板的滑移量：
[0069][0070]
仿真结果如图5，其滑移量为-0.00162604mm，拟合曲线如图6，与计算结果误差在5％以内如图7所示。
[0071]
实施例4
[0072]
参照图1、图8～图10，为本发明的第三个实施例，本实施例使用有限元仿真分析软件对燃料电池电堆进行仿真模拟，并将仿真模拟后得到的数据与使用本发明计算得到的数据进行对比，即以科学论证的手段对比计算结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0073]
石墨双极板长a＝426mm，宽b＝180mm，厚c＝2mm，质量m＝0.26876kg。
[0074]
极板总数n＝100片，极板间摩擦系数f＝0.66，电堆夹紧力为f＝20000n，e
eff
＝30.97165mpa。
[0075]
计算步骤如下，
[0076]
(1)根据滑移量计算公式：
[0077][0078]
(2)计算第15片极板的滑移量：
[0079][0080]
仿真结果如图8，其滑移量为-0.0020314mm，拟合曲线如图9，与计算结果误差在10％以内如图10所示；
[0081]
(3)计算第80片极板的滑移量：
[0082][0083]
仿真结果如图8，其滑移量为-0.0026818mm，拟合曲线如图9，与计算结果误差在5％以内如图10所示。
[0084]
实施例5
[0085]
参照图1、图11～图13，为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，使用有限元仿真分析软件对燃料电池电堆进行仿真模拟，并将仿真模拟后得到的数据与使用本发明计算得到的数据进行对比，即以科学论证的手段对比计算结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0086]
石墨双极板长a＝426mm，宽b＝180mm，厚c＝2mm，质量m＝0.26876kg。
[0087]
极板总数n＝100片，极板间摩擦系数f＝0.76，电堆夹紧力为f＝30000n，e
eff
＝35.87487mpa。
[0088]
计算步骤如下，
[0089]
(1)根据滑移量计算公式：
[0090][0091]
(2)计算第25片极板的滑移量：
[0092][0093]
仿真结果如图11，其滑移量为-0.00263551mm，拟合曲线如图12，与计算结果误差在2％以内如图13所示；
[0094]
(3)计算第60片极板的滑移量：
[0095][0096]
仿真结果如图11，其滑移量为-0.00347355mm，拟合曲线如图12，与计算结果误差在2％以内如图13所示。
[0097]
实施例6
[0098]
参照图1、图14～图16，为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，使用有限元仿真分析软件对燃料电池电堆进行仿真模拟，并将仿真模拟后得到的数据与使用本发明计算得到的数据进行对比，即以科学论证的手段对比计算结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0099]
石墨双极板长a＝426mm，宽b＝180mm，厚c＝2mm，质量m＝0.26876kg。
[0100]
极板总数n＝200片，极板间摩擦系数f＝0.76，电堆夹紧力为f＝20000n，e
eff
＝123.8923mpa。
[0101]
计算步骤如下，
[0102]
(1)根据滑移量计算公式：
[0103][0104]
(2)计算第75片极板的滑移量：
[0105][0106]
仿真结果如图14，其滑移量为-0.01567149mm，拟合曲线如图15，与计算结果误差在1％以内如图16所示；
[0107]
(3)计算第174片极板的滑移量：
[0108][0109]
仿真结果如图14，其滑移量为-0.0073458mm，拟合曲线如图15，与计算结果误差在5％以内如图16所示。
[0110]
从实施例2-6可以看出，使用本发明的计算方法，能准确预估出燃料电池电堆极板
的滑移量。
[0111]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种燃料电池电堆极板滑移量预估方法，其特征在于：包括以下步骤，建立燃料电池电堆模型；以电堆最靠近一侧端板的极板为第1片，以最靠近另一侧端板的极板即最后一片极板为第n片，定义n为极板总片数；以工况中与极板受重力方向平行的极板边长度为b，与其相垂直的边长为a，单片极板厚度为c，单片极板质量为m；计算第n片极板的滑移量。2.如权利要求1所述的燃料电池电堆极板滑移量预估方法，其特征在于：第n片极板的滑移量y计算公式为，其中，e
eff
为等效杨氏模量，以重力的反方向为正方向。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池电堆极板滑移量预估方法，包括以下步骤：建立燃料电池电堆模型；以电堆最靠近一侧端板的极板为第1片，以最靠近另一侧端板的极板即最后一片极板为第N片，定义N为极板总片数；以工况中与极板受重力方向平行的极板边长度为b，与其相垂直的边长为a，单片极板厚度为c，单片极板质量为m；计算第n片极板的滑移量；本发明能在已知不同极板规格的情况下准确计算出燃料电池电堆中每块极板的滑移量，为燃料电池电堆的装配设计提供依据。依据。依据。


技术研发人员：王睿 关栋 潘必宇 张纯 李竞 陈真
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/4