[发明专利]燃料电池电堆用弹簧及其设计选型方法及燃料电池电堆

说明书

本申请公开了一种燃料电池电堆用弹簧及其设计选型方法及燃料电池电堆，属于燃料电池技术领域。一种燃料电池电堆用弹簧的设计选型方法，所述方法包括：根据燃料电池电堆对弹簧的性能需求，得到弹簧直径D、弹簧最大压缩量h和弹簧厚度t的范围；以弹簧几何参数直径D的边界条件作为输入的约束函数，通过弹簧直径D的范围、弹簧最大压缩量h的范围和弹簧厚度t的范围建立燃料电池电堆的组装力F、最佳变形量δ的响应面，以弹簧缓冲和补偿过程中柔性系数相对最大为目标条件，得出最优的D、h和t。本申请量化了电堆生命周期内电堆缓冲和补偿的位移与组装力，能使电堆的密封性和性能得到保证，还可以防止电堆因组装力过大而影响电堆性能和寿命。

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆用弹簧及其设计选型方法及燃料电池电堆。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的电化学装置，具有能量转换率高、低排放、污染小、噪声低、维护方便等优点。通常的，单个燃料电池主要由膜电极组件和带气体流动通道的双极板交替堆叠组成，其中，膜电极组件(MEA)通常由气体扩散层、催化剂层和聚合物电解质膜通过热压过程制备得到。为了使燃料电池能够获得更高的性能，需要双极板和膜电极之间具有尽量小的接触电阻，因此需要对电堆施加一定的作用力，使得气体扩散层被压缩，同时保证密封胶线被压缩而达到密封的作用。

燃料电池电堆通常由几十节到几百节单电池串联而成。在燃料电池电堆整个生命周期中，运行时温度可高达80℃，低温储存温度可低至-40℃，随着温度的变化，电堆内部会产生膨胀与收缩；与此同时，电堆运行时还存在气动载荷，二者均使得电堆的组装力发生变化。在长期载荷的作用下，电堆关键零部件膜电极以及密封胶线均会产生一定的松弛。在松弛过程中，电堆内部压缩率不变堆内的组装力会下降。最终会导致气体扩散层与极板接触电阻增大，密封可靠性降低，影响电堆性能和寿命。为了解决以上问题，电堆的设计通常需要使用弹簧如碟形弹簧(简称碟簧)进行缓冲与补偿，使电堆内部气体扩散层和胶线的总压缩量增大，碟簧压缩量释放，同时电堆内部组装力减小，碟簧压缩力释放。

碟簧是将圆盘中心开孔形成圆锥碟状的弹簧，与传统弹簧不同，碟簧在功能上有其特殊的作用。例如，碟簧具有能以小变形承受大载荷，行程短，所需空间小，组合使用方便，维修换装容易，经济安全性高，使用寿命长等特点。与此同时，碟簧也被认为是设计难度较高的弹簧，在叠加使用时细微的尺寸差异对载荷有较大的影响，也会产生位移量与载荷关系反转的现象。从而，基于碟簧在燃料电池电堆中起到的重要作用，以及碟簧本身的特点，燃料电池电堆内部弹簧如碟簧的选型与设计显得尤为重要。然而，相关技术中尚未发现对用于燃料电池电堆中的弹簧的设计选型方面的研究。

发明内容

鉴于存在的上述问题，本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种燃料电池电堆用弹簧及其设计选型方法及燃料电池电堆，能填补对用于燃料电池电堆中的弹簧的设计选型方面的研究的空白，可以使燃料电池电堆的密封性和性能得到保证，能克服现有技术中的不足。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

根据本申请的一个方面，本申请实施例提供了一种燃料电池电堆用弹簧的设计选型方法，所述方法包括：

根据燃料电池电堆对弹簧的性能需求，得到弹簧直径D的范围、弹簧最大压缩量h的范围和弹簧厚度t的范围；以弹簧几何参数直径D的边界条件作为输入的约束函数，通过弹簧直径D的范围、弹簧最大压缩量h的范围和弹簧厚度t的范围建立燃料电池电堆的组装力F、最佳变形量δ的响应面，以弹簧缓冲和补偿过程中柔性系数相对最大为目标条件，得出最优的弹簧直径D、弹簧最大压缩量h和弹簧厚度t。

进一步地，所述根据燃料电池电堆对弹簧的性能需求，得到弹簧直径D的范围、弹簧最大压缩量h的范围和弹簧厚度t的范围包括：建立燃料电池电堆与弹簧的匹配原则；基于所述匹配原则，建立燃料电池电堆和弹簧的考量维度。