CN114372388B 一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法 （同济大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利公司31225本发明涉及一种氢燃料电池密封界面微观形貌描述模型建立具有随机特征的氢燃料电池界面微观接触副模型进行密封压缩数值模拟实拟实验后接触副之间的微观间隙，即流体泄漏域；3)对流体泄漏域进行气体流动泄漏模拟实21)通过G-W表面形貌描述模型建立具有随机特征的氢燃料电池密封界面微观接触副模2)对氢燃料电池密封界面微观接触副模型进行密封压3)对流体泄漏域进行气体流动泄漏模拟实验，模拟氢燃料电池密封界面的气体泄漏，步骤1)中，对氢燃料电池密封接触部件表面进行微观结构观测，获取微观表面结构形步骤3)中，对流体泄漏域施加流体边界载荷，进行流体泄漏域气体微观流动有限元模所述的氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量由泄漏出口的气体流出质量Q表示，3所述的气体出口中的气体流量密度为均匀的，则第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体流量密度PM=Pn(i=1,2,…,n)。4一种氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法技术领域[0001]本发明涉及氢燃料电池密封检测领域，尤其是涉及一种计及密封界面随机表面形貌特点和微观尺度下密封件压缩及气体流动原理的氢燃料电池泄漏率计算及预测方法。背景技术[0002]随着环境污染、能源安全等问题日益严重，找到化石燃料的替代能源已经迫在眉的主要场所，是将内能转化成电能的发生装置；其是继水力发电、热能发电、原子能发电之后的第四大发电技术，更被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电方式。[0003]氢燃料电池以较高的功率密度和能量转化效率、较为合适的工作温度，而被广泛应用，氢燃料电池工作时对内部环境要求极高，包括：反应气体应保持在适当的压力范围内；阳极气体与阴极气体不应发生内泄互窜；反应空间内不能存在杂质等。[0004]泄漏影响着整个氢燃料电堆的性能和安全性，是判断电堆是否可以安全有效工作的重要指标，作为氢燃料电池必不可少的反应气体，氢气有着分子结构小、质量轻、性质活泼等特点，一旦发生泄漏，氢气会从反应空间快速流失，氢燃料电池阳极气体压力迅速降低，电堆效率降低直至失效；并且氢气具有很强的易燃易爆性，其泄漏流出后很可能成为燃[0005]氢燃料电池单体具有“大电流、小电压”的输出特性，为了使其能够满足实际工程使用，一般将300-500个单体电池串联起来形成电堆，对于整堆系统，其串联特性决定了任何一个部件出现问题，整堆的电效率都会大幅降低甚至失效停机，而一个氢燃料电池电堆中存在着数百上千个密封面，由任何一个密封面出现泄漏或内窜都会严重影响整堆电效[0006]综上所述可以看出，对氢燃料电池的密封性能进行预测尤为重要，然而在氢燃料体泄漏通道的形状、大小等参数变得难以预测，使得氢燃料电池泄漏率模型的准确度大幅降低。[0007]工业生产中，采用专门的检漏设备对氢燃料电池的整堆泄漏率进行测量，这些检漏设备一般重量重、体积大，只能固定在某处，当氢燃料电堆在实际使用中发生泄漏时难以实时实地进行检漏工作；其次，想要得到准确的泄漏率，必须保证电堆和检漏设备同时长时造成本高、维护性差，特别是当氢燃料电堆的工作条件不稳定、外部载荷发生较大变化时，这种传统检漏系统所具有的柔性差、效率低的不足将会愈加明显，并且这种对于氢燃料电池整堆的测漏方法，无法具体识别泄漏点，更无法从实用和安全的角度对泄漏率进行预测和控制。[0008]理论研究中，当前氢燃料电池密封泄漏率计算模型主要来源于传统机械密封泄漏5曼方法(LatticeBoltzmannMethod,[0009]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计及随机表面表面结构形貌特征，并通过G-W表面形貌描述模型将表面微观结构形貌特征量化为具体参[0020]所述的氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量由泄漏出口的气体流出质量表6[0023]所述的第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体泄漏量Q的计算式为：为第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体流速。[0026]所述的第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的面积A的表达式为：[0029]其中，f(v)为气体流速等值线在气体出口上的曲线表达式，1、h分别为气体出口的宽度和高度。[0030]所述的气体出口中的气体流量密度为均匀的，则第i个氢燃料电池密封界面微观密封单元的气体流量密度P=pn(i=1,2,...,n)。[0032]1、本发明引入了氢燃料电池密封界面的表面形貌随机分布特征，界面微观形貌表达精度高；[0033]2、本发明不具体考量某一项参数对泄漏通道尺寸、形状等指标的定量影响，取而代之直接计算泄漏率，思路更加简洁，泄漏通[0035]4、本发明搭建了宏微观泄漏率或其他密封性指标之间的桥梁，是一种微观下的新的氢燃料电池密封界面泄漏率验证方法。附图说明[0036]图1为本发明涉及的氢燃料电池密封界面泄漏率预测方法图；[0037]图2为实施例中根据氢燃料电池密封界面表面微观结构的测量结果构建的具有随机表面粗糙结构的接触副模型；[0038]图3为实施例中氢燃料电池密封界面接触副密封压缩数值模拟后状态及流微观间[0039]图4为实施例中氢燃料电池密封界面受密封压缩模拟之后流体泄漏域模型；[0040]图5为实施例中氢燃料电池密封界面流体泄漏域泄漏模拟结果，其中，图(5a)为流体泄漏域4内压力分布图，图(5b)为速度分布图。[0041]图中标记说明具体实施方式[0043]为使本发明的上述特征和优点能够更加明显易懂、证明本发明涉及方法的有效性并简要分析氢燃料电池密封界面泄漏量计算过程，下文特举实施例，配合附图做详细说明。本实施例选取氢燃料电池密封件与双极板之间的密封界面泄漏作分析。7[0045]本发明涉及一种计及随机表面形貌的氢燃料电池密封界面微观泄漏率预测方法，具体地说，该方法首先通过G-W表面形貌描述模型建立具有随机特征的氢燃料电池密封界面微观接触副模型；对密封界面微观接触副模型进行密封压缩数值模拟实验，以类比氢燃料电池装配中密封件所受预紧载荷和压缩状态，并由此获取密封压缩时密封界面(即微观接触副)之间间隙的CAD模型，称之为流体泄漏域；最后，对流体泄漏域进行气体流动泄漏模拟实验，模拟氢燃料电池密封界面的气体泄漏，计算得出氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量，本发明方法得到的氢燃料电池密封界面泄漏量，既可以作为泄漏率理论计算模型的直接验证，又可以通过叠加等手段得到宏观泄漏率，本发明还提出了一种氢燃料电池密封界面泄漏率计算机有限模拟实验方法，弥补了宏观实际实验法和微观理论计算法的不足，搭建了二者联系的桥梁，为氢燃料电池密封界面泄漏提供了新的依据和参考，是预测氢燃料电池泄漏率、监控泄漏点的有效基础。本发明充分考量了氢燃料电池密封界面微观尺度下气体流动特性和密封界面表面粗糙峰结构，参考了密封件工作过程中的实际环节，真实地模拟了氢燃料电池受封气体在密封界面的泄漏情况，保证了本发明的可行性和准确性。[0046]本发明包括以下步骤：[0047]1)对氢燃料电池密封接触部件表面进行微观结构观测，获取微观表面结构形貌特[0048]通过G-W表面形貌描述模型，将表面微观结构形貌特征量化为粗糙峰半径r、粗糙峰高度(粗糙峰球心和基面间高度差)h、粗糙峰高度h对应的正态分布标准差σ及粗糙峰密[0049]2)根据具体参数建立具有随机表面粗糙结构的氢燃料电池密封界面微观接触副；[0050]3)对氢燃料电池密封界面微观接触副进行模拟装配的密封压缩数值实验；[0051]4)观察密封压缩数值模拟实验后接触副之间的微观间隙；[0052]接触副之间的微观间隙即为氢燃料电池密封界面气体泄漏通道，本发明称之为流体泄漏域；[0053]5)对流体泄漏域施加流体边界载荷，分析氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏[0054]氢燃料电池密封界面微观密封单元泄漏量由泄漏出口气体质量Q表示，其单位为千克每秒；[0055]泄漏出口气体质量Q通过不同单元i上的气体流动质量Q表示；[0056]不同单元i根据泄漏出口面上气体流速等值线微分获得，单元i上气体泄漏质量Q由该单元面积A、单元面内气体流量密度PMi和气体流速v;计算得到。[0057]结合附图2详细说明利用G-W表面形貌描述模型建立具有随机粗糙峰结构的氢燃料电池密封界面接触副的过程，具体如下：[0058]经过对氢燃料电池密封件和双极板表面微观形貌的观测，发现密封件与双极板表面粗糙峰特征具有如下关系：[0060]式中，脚标gk与BPP分别代表氢燃料电池密封界面接触副中的密封件与双极板。8上密封件与双极板表面微观粗糙峰特征，本实施例设定了一种单粗糙峰密封件密封面1和度为标准值，为了提高计算效率且保证密封件密封面1的单个粗糙峰在密封压缩后保持完糙峰的高度h满足σ=0.848(由测量而得)的正态分布，生成满足如下正态特性的4×4数值[0068]结合图5详细说明氢燃料电池密封界面流体泄漏域气体微观流动有限元模拟及泄[0069]图5为氢燃料电池密封界面流体泄漏域气体流动泄漏结果图。图(5a)为流体泄漏[0070]本发明涉及的方法可以直接将气体出口8的气体通过量作为氢燃料电池密封界面由上可知由气体出口8气体流出质量Q表示氢燃料电池密封截面密封单元微观泄漏量，Q又9[0083]根据氢燃料电池密封界面流体泄漏域气体微观流动有限元模拟及式(1)～(3)可[0085]综上，本发明采用随随机表面描述模型对氢燃料电池密封接触界面表面进行建氢燃料电池密封界面微观粗糙结构氢燃料电池密封界面微观粗糙结构微观结构描述模型具有随机特性的氢燃料电池密封界面微观密封单元接触副模型面向氢燃料电池密封界面接触副的密封压缩数值模拟气体微观流动有限元预测根据气体不同流速，将气体出口面分割为i个单元，以计算泄漏量1单元泄漏量Q₁