一种基于有限元技术的燃料电池双极板抗压性能分析方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种基于有限元技术的燃料电池双极板抗压性能分析方法。


背景技术：

2.质子交换膜电池(pemfc)是一种以氢气为燃料，通过化学反应将其化学能转化为电能的装置，具有85～90％的高能量转化率、对环境无污染和无噪音等优点，在交通、国防、能源领域具有广泛的应用。
3.双极板是pemfc的重要组成元件，其体积与质量约占质子交换膜电池的80％，成本的30％。双极板有着隔绝燃料与氧化剂、提供气体反应的场所、支撑电池电极和电流传导等作用。其中电池常在ph2～3,80～100℃的高温高酸环境下工作，双极板需具备强的耐腐蚀和导热能力；另外双极板主要承担电池内部载荷，需要较高的机械强度。目前常见的双极板材料有三种：石墨、金属和复合石墨复合双极板，虽然石墨有良好的导电、导热和耐腐蚀性能，但其为脆性材料，机械强度较低，难以应用于实际的电池工作环境；金属双极板材料具有良好的导电、导热和机械强度，但是在酸性条件下会在表面形成钝化层，降低其导热导电性能；而应用最广泛的复合双极板是由石墨导电材料相互连接形成传导网络，树脂固化形成的基体填充以提供抗弯强度及气密等性能，既拥有一定导电性和耐腐蚀性，又有一定的机械强度。
4.目前，大量的研究者侧重于双极板的耐腐蚀性及气密性的实验研究，对于双极板的机械强度、在使用过程中应力分布的情况基本未涉及。如，cn202110686853.5公开了一种燃料电池双极板气密性的测试装置；cn202011181009.9和cn202010747313.9公开了一种燃料电池防腐蚀层及其制备方法。
5.由于燃料电池双极板在实际工程应用中的厚度要求越来越薄，除了材料基本性能满足条件外，还需在组装机械力过程中不受到损伤和破坏。通过实验过程的摸索耗时长、成本高、不可控因素多，结合计算机模拟不仅可以节省大量资源，得出工作环境中双极板受力后的应力分布情况，还能依据几何结构特征与性能的关系来设计双极板3d模型，为开发性能优异的燃料电池双极板提供科学依据。
6.由此，通过计算机模拟方法研究燃料电池双极板承受组装压力后的应力分布情况具有重大研究意义，建立一种研究双极板应力分布情况的系统的计算模拟方法变得更加紧迫。


技术实现要素：

7.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基于有限元技术的燃料电池双极板抗压性能分析方法。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
9.一种基于有限元技术的燃料电池双极板抗压性能分析方法，该方法包括如下步
骤：
10.s1、构建双极板和密封圈的3d模型；
11.s2、将双极板和密封圈的3d模型导入有限元分析软件；
12.s3、对双极板和密封圈的模型进行相应设置；
13.s4、对双极板受压过程进行有限元分析获取双极板应力分布情况。
14.优选地，步骤s3具体为：
15.s301、对双极板模型和密封圈的3d模型赋予相应参数属性；
16.s302、将双极板3d模型和密封圈3d模型进行装配；
17.s303、模拟双极板受压过程，设置相应分析步参数，控制双极板受力加载时间；
18.s304、对双极板与密封圈的接触面进行配置，并施加相应载荷和设置边界条件进行约束；
19.s305、对装配好的模型进行网格划分。
20.优选地，s301中参数属性包括密度、杨氏模量、泊松比、双极板塑性和密封圈超弹性属性。
21.优选地，s302中装配时将双极板3d模型和密封圈3d模型从中间剪切为两部分，仅装配其中一部分。
22.优选地，s303中设置分析步过程中采用静态，通用的分析步，总时间为10，最大增量步为1，最小增量步为1e-10，并开启大变形设置。
23.优选地，s304具体为：
24.对双极板与密封圈之间的接触面施加tie绑定，选取密封圈为主面，双极板为从面；
25.对最上层的密封圈施加沿法线向下的载荷，最下层密封圈进行边界条件约束使其固定，模拟双极板受压过程。
26.优选地，s305具体为：
27.将双极板模型分为三个区域：双极板进气孔、进水孔以及之间的连接孔洞或流道为一个区域，记作进气孔区域；中间平行流道为一个区域，记作平行流道区域；密封圈与双极板在平行流道附近接触部分为一个区域，记作密封圈接触区域；
28.对双极板的不同区域以及密封圈分别进行网格划分。
29.优选地，进气孔区域选择四面体网格进行划分，网格密度最大；密封圈接触区域选用六面体网格进行划分，网格密度小于进气孔区域密度；平行流道区域模型选择六面体网格进行划分，网格密度小于密封圈接触区域。
30.优选地，密封圈的网格类型为六面体，网格密度最小。
31.优选地，该方法还包括步骤：
32.s5、基于有限元分析得到双极板应力分布情况对双极板模型进行优化，重复步骤s1～s4直至分析结果达到预期标准。
33.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
34.(1)本发明利用有限元分析技术对燃料电池双极板3d模型赋予材料属性并进行装配，设置双极板与其接触的密封橡胶圈之间的接触，在凸出的密封橡胶圈上施加法线方向的载荷，并对下端的密封圈进行约束固定，模拟双极板在受压过程，计算出应力集中点等信
息，可为双极板模型设计提供有效参考，从而进一步优化所设计的极板模型。
35.(2)本发明采用计算机有限元分析技术对双极板受压情况进行分析，不仅减少了大量的实验时间和材料成本，省去制造实际双极板模型的繁琐工艺，得出工作环境中双极板的应力分布情况，还能模拟多种模型，赋予各类材料属性，研究更多元的情况，为未来双极板材料研究提供更开阔的视野。
附图说明
36.图1为本发明一种基于有限元技术的燃料电池双极板抗压性能分析方法的流程框图；
37.图2是本发明中双极板模型的结构示意图，其中，(a)为a板(阳极板)模型，(b)为c板(阴极板)模型。
38.图3是本发明中密封橡胶圈模型的结构示意图，其中，(a)为a板外侧凹槽处的密封圈模型，(b)为连接a板和c板的密封圈模型，(c)为与c板外侧连接的密封圈模型。
39.图4是本发明中双极板模型与密封圈模型的一种装配结构示意图。
40.图5是本发明受压过程中对密封圈模型施加相应载荷工况的示意图，其中，(a)为c板外侧密封圈底部固定约束，(b)为a板外层密封圈施加的载荷示意图。
41.图6是本发明中双极板模型和密封圈模型网格划分的一种示意图。
42.图7是本发明中双极板在一定载荷工况下的应力云图。
43.图8是本发明双极板在受力过程中应力集中点的示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
45.实施例
46.如图1所示，本实施例提供一种基于有限元技术的燃料电池双极板抗压性能分析方法，包括以下步骤：
47.s1、构建双极板和三层密封圈的3d模型；
48.s2、将双极板和密封圈的3d模型导入有限元分析软件；
49.s3、对双极板和密封圈的模型进行相应设置；
50.s4、对双极板受压过程进行有限元分析。
51.本实施中，步骤s1中构建的双极板和密封圈模型的特点如下：
52.双极板3d模型中包含了由数条直型或s型的脊与沟组成的平行流道，以及两个进气孔与一个进水孔，进气孔和与平行流道之间通过相应的流道连接，进气孔分布在模型的四周，进水孔分布在模型两侧，阴极板和阳极板之间共有连通的一对共用空气通道、一对氢气通道和一对水通道，氢气侧的密封槽与空气侧的密封槽分别用弹性的橡胶材料密封，并在气体进出口与气体流道之间铺设桥片，以支撑组件和密封气体等，如图2和图3所示，双极板尺寸大小如表1所示。该模型借鉴公开专利(cn 108172857 a)设计的一种高电流密度放电的燃料电池电堆流场板。
53.表1双极板尺寸参数
[0054][0055]
步骤s2中，导入双极板和密封圈3d模型，包括以下步骤：
[0056]
将利用3d建模软件建立的双极板和密封圈模型输入为相应.stp文件；
[0057]
在有限元分析软件中，选择导入的类型为part，文件选择.stp格式，找到对应文件导入。
[0058]
步骤s3对双极板和密封圈的模型进行设置，包括以下步骤：
[0059]
s301、对双极板模型和密封圈模型赋予相应属性，包括密度、杨氏模量和泊松比等，并根据实验所测数据输入双极板塑性和密封橡胶圈超弹性属性。
[0060]
s302、将双极板的模型与三层密封圈的模型进行装配，由于双极板和密封圈的模型在结构上对称，在进行有限元分析的过程中，可将模型简化为只有一半的模型进行装配分析，提高计算速率；双极板的凹槽的尺寸与密封橡胶圈的尺寸在结构上刚好契合，装配时只需选定相应的模型，计算机会智能的匹配双极板与密封圈之间的位置，自动完成装配，如图4所示。
[0061]
s303、设置载荷加载时间为10，最大增量步为1，最小增量步为1e-10，并开启大变形设置；
[0062]
其中密封圈为橡胶材料，在承受载荷时，会出现较大形变，开启大变形设置可提高计算过程的收敛性。
[0063]
s304、对一端密封圈xz平面施加与y轴相反方向，大小为0.5mpa的载荷，如图5(b)所示，并对另一端的密封圈进行边界条件约束，如图5(a)所示；
[0064]
对双极板和密封圈之间的接触面进行配置时，假设双极板和密封圈在受压过程没有相对滑动，并施加如下配置：
[0065]
在双极板与密封圈之间的4个接触面分别施加tie绑定，选取密封圈为主面，双极板为从面，并设置绑定偏离范围0.01。
[0066]
s305、对双极板与密封圈模型进行网格划分时，将双极板模型分为三个区域，包括双极板进气孔、进水孔以及之间的连接孔洞或流道为一个区域，中间平行流道为一个区域，密封圈与双极板在平行流道附近接触部分为一个区域；
[0067]
其中进气孔区域模型选择四面体网格，网格密度最大，密封圈接触区域模型选用六面体网格，网格密度小于进气孔区域密度，平行流道区域模型选择六面体网格，网格密度小于密封圈接触区域，如图6所示，并且密封圈模型的网格类型为六面体，网格密度最小；
[0068]
双极板的有限元模型选择四面体网格，增加模拟的收敛性；密封圈的有限元模型选择六面体网格，hybrid的计算方法。
[0069]
在进行有限元分析之前，需对所设置的数据进行数据审查，确保所有数据审查无误后再进行有限元分析。
[0070]
s4、对双极板模型受压过程进行有限元分析，可得到双极板受压后的应力分布情况，如图7所示；还能得到双极板受压后的应力集中点，如图8所示。
[0071]
经过分析发现，除极板受压部位外，在极板的进气孔凹槽转角处会有应力集中出
现，并且进水孔和进气孔连接处也出现较大应力，在其余部位未有应力集中出现，通过结果，可在应力集中出现的结构处进行改进优化，通过三维建模软件再对双极板设计的结构进行调整，再通过有限元方法模拟，直至没有这种危险损坏的应力集中点，避免实际使用过程中双极板应力集中而发生开裂甚至损坏。
[0072]
综上所述，本发明通过3d建模软件建立实际设计所需的双极板模型，再使用有限元分析软件对模型赋予材料属性，进行切分后装配，并对相应的接触面进行配置，对一端约束固定，另一端施加载荷简化模拟受力情况，可以分析得到双击板受压过后的应力集中点与应变等力学性能信息，通过得到的信息对双击板模型进行改进后再次重复上述流程，直至分析结果得到预期标准。
[0073]
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。