(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211279296.6 (22)申请日 2022.10.19 (71)申请人 天津大学 地址 300350 天津市津南区雅观路13 5号 (72)发明人 焦魁　霍文明　谢彪　杜青　 (74)专利代理 机构 天津盈佳知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 12224 专利代理师 孙宝芸 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 17/13(2006.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/06(2020.01) (54)发明名称 考虑燃料电池装配产生的力学变化与性能 相关的建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑燃料电池装配产生 的力学变化与性能相关的建模 方法， 为构建真实 装配下的质子交换膜燃料电池三维模 型， 设置各 部件的材料属性、 设置各部件之间的接触关系、 设置模型的边界条件并设置施加载荷， 由此建立 燃料电池力学有限元模型。 通过模 型获得气体扩 散层和双极板接触面的接触应力分布和气体扩 散层压缩后的体积； 将其转化为不均匀的接触电 阻、 孔隙度和渗透率； 再将其输入燃料电池性能 模型， 进行计算； 最终获得在真实装配和预紧下 的极化曲线以及关键参数的分布。 该模型有助于 直观、 迅速、 准确地获得燃 料电池的最佳预紧力， 同时获得电池内部的分布， 以帮助对电池力学行 为和输出性能关系的理解。 权利要求书4页 说明书10页 附图4页 CN 115510679 A 2022.12.23 CN 115510679 A 1.考虑燃料电池装配产生的力学变化与性 能相关的建模方法， 建模所涉及的燃料电池 部件包括： 端板、 绝缘板、 集流板、 双极板、 气体扩散层、 膜电极组件， 密封垫圈和紧固螺栓， 其特征是： 模型的建立包括如下步骤： (1)建立真实装配下的燃料电池力学有限元模型， 有限元模型包括三维几何建模、 电池 部件力学参数输入、 网格画分、 设置 接触、 设置边界条件， 设置载荷， (2)三维几何建模中所涉及的部件有： 端板、 绝缘板、 集流板、 双极板、 气体扩散层、 膜电 极组件， 密封垫圈和紧固螺栓， 其中将微孔层、 催化层和质子交换膜合为一体， 此步骤中需 要确定所涉及部件的几何参数， 包括端板厚度、 宽度、 长度； 绝缘板厚度、 宽度、 长度； 集流板 厚度、 宽度、 长度； 双极板厚度、 宽度、 长度； 气体扩散层厚度、 宽度、 长度； 膜电极组件厚度、 宽度、 长度； 密封 垫圈厚度、 宽度； 以及紧 固螺栓内径、 外径、 螺帽直径、 长度， (3)输入所涉及部件的力学参数包括： 端板、 绝缘板、 集流板、 双极板、 气体扩散层、 膜电 极组件、 密封 垫圈和紧 固螺栓的密度、 杨氏模量和泊松比， (4)进行网格画分： 采用网格画分软件画分所涉及部件的网格， 在气体扩散层和双极板 接触部位， 气体扩散层的网格密度是双极板网格密度的两倍， (5)设置接触状态： 所涉及部件的接触对包括： 端板—绝缘板、 绝缘板—集流板、 集流 板—双极板、 双极板—气体扩散层、 双极板—密封 垫圈、 气体扩散层—膜电极组件， (6)设置边界条件： 燃料电池有限元力学模型存在三个方向的对称性， 为降低计算量， 选取1/8模型进行计算， 需要在端板、 绝缘板、 集流板、 双极板、 气体扩散层、 膜电极组件、 密 封垫圈对称的面设置对称边界条件， 在膜电极组件和密封 垫圈底面上设置固支边界条件， (7)设置载荷： 在螺 栓孔上设置载荷， 载荷设置为压强， 螺栓孔上压强的计算方法： 扭矩和预紧力的关系： T＝K ×F×d， 式中T为扭矩， K为螺栓预紧系数， F为预紧力， d为螺 栓直径， 预紧力和压强的关系为： P＝F/S， 其中P为压强， S为螺 栓孔的面积， (8)建立模型后求 解获得气体扩散层表面接触 应力和气体扩散层压缩后的体积。 2.根据权利要求书1所述考虑燃料电池装配产生的力学变化与性能相关的建模方法， 其特征是： 将接触应力和压缩后体积转化为不均匀接触电阻、 孔隙度和渗透率， 其具体实施 步骤如下： (1)接触电阻的计算公式为： 其中Rcontact为接触电阻， α 和β 为可变系数， Pcontact为接触应力， 进一步地， 所获得的气体扩散层接触应力是不均匀的， 计算求解的接触电阻也是不均 匀的， (2)压缩后气体扩散层孔隙度的计算公式为： 其中εc为压缩后的气体扩散层孔隙度， Vi为压缩前气体扩散层体积， Vc为压缩后气体扩 散层体积， εi为压缩前的气体扩散层孔隙度，权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115510679 A 2(3)压缩后气体扩散层渗透率的计算公式为： 其中K为气体扩散层渗透率， ε为压缩后的孔隙度， df为组成气体扩散层纤维的直径。 3.根据权利要求书1所述考虑燃料电池装配产生的力学变化与性能相关的建模方法， 其特征是： 建立一个考虑真实流场结构的质子交换膜燃料电池全电池性能模型， 将不均匀 接触电阻、 孔隙度和渗透率耦合进模型中， 求解计算输出极化曲线和关键参数的分布， 其具 体实施步骤如下： (1)建立质子交换膜燃料电池全电池性能模型， 此模型为一个 “三维+一维 ”模型， 三维 部分包括阴阳极流道、 阴阳极气体扩散层和阴阳极扩展层； 一维部 分包括阴阳极微孔层、 阴 阳极催化层和质子交换膜， 在各层交界面上设置计算节点， 组成一 维模型， 将一维模型设置 在扩展层中存 储和计算， (2)三维部分守恒方程包括： (2.1)质量守恒方程： 其中， ρg为密度， 为流速， Sm为质量守恒方程源项， (2.2)动量守恒方程： 其中， Pg为压强， μmix为动力粘度， Su为动量方程源项， (2.3)组分守恒方程： 其中， Yi为各组分浓度， Di,eff为有效扩散系数， Si为组分方程源项， (2.4)能量守恒方程： 其中， Cp,g为比热容， T为温度， keff为导热系数， ST为能量方程源项， (2.5)液压 守恒方程： 其中， s为液态水饱和度， Sl为液压守恒方程源项， (2.6)电子电势守恒方程： 其中， 为有效电导 率， φele为电子电势， Sele为电子电势守恒方程源项， (3)在一维部分中， 守恒方程转化为一维的通量守恒方程， 在一维部分中求解各标量， 各标量的计算公式为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115510679 A 3