[发明专利]一种温致收缩下氢燃料电池密封件截面设计方法

说明书

本发明涉及一种温致收缩下氢燃料电池密封件截面设计方法，包括以下步骤：1)在不考虑低温作用的常温条件下进行密封件的截面设计，获取初始设计方案；2)进行温致收缩下的量化计算，获取常温及低温下的密封件材料参数，并进行有限元分析，得到平均接触应力与接触长度；3)进行温致收缩下的泄漏率计算，得到密封件的总泄漏率；4)若总泄漏率满足设计要求，则以此作为最终的设计方案，若总泄漏率未满足设计要求，则调节当前设计方案后计算总泄漏率，直至满足设计要求。与现有技术相比，本发明具有考虑低温影响、设计质量判定精准等优点。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池密封件设计领域，尤其是涉及一种温致收缩下氢燃料电池密封件截面设计方法。

背景技术

因具有高能效、无污染、便携性好等优点，氢燃料电池在移动电源、小型固定发电站和电动汽车等领域备受青睐，是一种极具潜力的能源装置。在氢燃料电池中，密封性能是影响其输出性能和寿命的关键因素，它起着隔绝外围环境、阻止反应气体和冷却液泄漏的作用，密封效果好坏直接影响电池发电效率和使用寿命。当前，氢燃料电池的密封性和耐久性是制约其推广应用的关键技术瓶颈。

密封件在燃料电池中起到封堵内部流体的作用。密封件通常以合成橡胶作为材料，包括硅橡胶，氟橡胶，三元乙丙橡胶等。在室温下时，橡胶密封材料的性能较为稳定。但是当工作环境温度发生变化时，材料性能也会随之改变。高温时，材料在温度作用下热氧老化效应将更加明显，且橡胶材料硬度变软，接触应力变小，密封性变差；当燃料电池处于低温环境中，例如高纬度地区冬季使用氢燃料电池时，密封件材料呈现玻璃态，并出现温致收缩，并因此产生三个主要影响：一、温致收缩导致密封件结构尺寸缩小，又因在同样的温度变化下，密封件的变化量远超BPP(bipolar plate双极板)和MEA(membrane electrolyteassembly膜电极组件)，使得密封件的压缩率发生变化，直接导致接触应力下降与接触长度缩短，不利于密封；二、温致收缩导致密封件与BPP、MEA的接触界面处的微观通道扩大，导致泄漏增加；三、低温环境下会产生低温脆性，材料的硬度及弹性模量上升，影响密封件密封效果。

高温下密封件材料密封性能变化及密封设计研究已经比较充分，但低温下密封件密封性能变化及泄漏机理研究并不十分明确。低温下多种因素交错耦合，对密封性产生复杂的影响，使得未考虑温致收缩的密封件，在常温下表现良好，在低温下却可能出现密封性能急剧下降，这使得低温下的密封设计成为密封设计的难题所在。

发明内容

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一种温致收缩下氢燃料电池密封件截面设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种温致收缩下氢燃料电池密封件截面设计方法，包括以下步骤：

1)在不考虑低温作用的常温条件下进行密封件的截面设计，获取初始设计方案；

2)进行温致收缩下的量化计算，获取常温及低温下的密封件材料参数，并进行有限元分析，得到平均接触应力与接触长度；

3)进行温致收缩下的泄漏率计算，得到密封件的总泄漏率；

4)若总泄漏率满足设计要求，则以此作为最终的设计方案，若总泄漏率未满足设计要求，则调节当前设计方案后计算总泄漏率，直至满足设计要求。

所述的步骤1)中，密封件截面设计的相关参数包括气体压力、工作及环境温度、摩擦系数、密封件厚度、密封件宽度、密封槽深度、密封槽宽度、基体高度和双峰间倒角。

所述的步骤2)中，通过应力应变曲线获得密封件材料参数，并且引入热膨胀系数获取低温下密封件的具体尺寸。

密封件材料参数包括随温度变化的硬度和弹性模量，低温下密封件的具体尺寸包括低温密封件厚度和低温密封件宽度。