锁紧螺栓对PEMFC电堆双极板热力变形影响的研究

摘要

质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）可以在室温下快速启动、水易排出、无电解液流失，具有功率密度大、噪声小、无腐蚀、寿命长、能量转化效率高以及安全稳定等特点，应用前景非常广阔，市场潜力巨大，对经济的可持续发展、环境保护以及产业结构的升级均有重要意义。不仅可用于建设固定的发电站，也适用于用作可移动的动力源，更是电动汽车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源。PEMFC电堆通常是用螺栓-螺母以一定的预紧力将几十甚至上百个单电池串联叠加起来，由于受到端板上螺栓预紧力以及工作温度的共同作用，各组件的应力分布不均匀而产生一定程度的翘曲变形现象，导致燃料电池出现一系列意想不到的问题。因此，PEMFC封装技术的好与坏将会直接影响燃料电池的性能。
　　本文首先综述了燃料电池的发展历史，简要阐述了PEMFC的组成及其工作原理，分析了PEMFC封装的特点及其研究进展情况，并介绍了PEMFC的经验模型和机理模型及其相关的五个基本控制方程。以有限元理论为基础，采用理论分析与数值模拟相结合等方法，以PEMFC单电池为研究对象，通过有限元模拟了PEMFC单电池稳定工作前后的变形分布情况，分析了燃料电池各组件产生翘曲变形现象的主要原因，得出了温度载荷的作用可以抵消一部分应力产生的变形。
　　其次，分析了1~4级PEMFC电堆极板的最大及最小位移变形，得出电堆级数为奇数时燃料电池的性能会更好一些；极板的最大位移会随PEMFC级数的增加先变小后变大，且二级电堆的最大位移最小；在1~4级PEMFC电堆中，三级电堆的性能最好。
　　再次，以三级PEMFC电堆为研究对象，研究了螺栓锁紧力大小、螺栓布局以及螺栓锁紧顺序对燃料电池极板变形的影响规律，对比分析了PEMFC的总体位移云图以及极板沿给定三条路径在 Z方向上的绝对位移曲线图，计算了极板上沿给定路径的位移翘曲度，并由此得出了采取在端板螺栓孔上施加3.8MPa的锁紧力、使用四个螺栓第二种位置分布并采用纵向锁紧法的最优组合封装方案来封装PEMFC，可以获得最佳的极板位移变形，从而提高了燃料电池的性能。
　　最后，基于 C＃语言进行了三级 PEMFC电堆封装方案的可视化程序设计，通过输入燃料电池的主要几何尺寸及材料特性等基本参数并选择合适的锁紧力大小、螺栓布局以及适当的螺栓锁紧顺序，便可以得到极板沿给定路径的翘曲度（最大、最小以及平均翘曲度）和Z方向位移变形曲线以及相应的极化曲线，进而可以综合评估采用该组合封装方案后的封装效果。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 PEMFC的组成及其工作原理

1.3 PEMFC封装特点及其研究现状

1.4 本文工作

第2章 PEMFC数学模型

2.1 PEMFC经验模型

2.2 PEMFC机理模型

2.3 本章小结

第3章 PEMFC单电池流固热力耦合仿真

3.1 软件概述

3.2 PEMFC单电池有限元模型的建立

3.3 单电池三维温度场及应力场仿真分析

3.4 本章小结

第4章 锁紧力大小及螺栓布局对电堆性能的影响

4.1 电堆级数对PEMFC性能的影响

4.2 螺栓锁紧力大小对PEMFC电堆双极板的影响

4.3 锁紧螺栓数目及位置对PEMFC电堆双极板的影响

4.4 本章小结

第5章 锁紧顺序的影响及封装方案的可视化设计

5.1 螺栓锁紧时间的确定

5.2 螺栓锁紧顺序对PEMFC电堆极板的影响

5.3 PEMFC电堆封装方案可视化程序设计

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 未来展望

致谢

研究生期间发表的论文

参考文献