质子交换膜燃料电池金属双极板刚度及接触应力研究

摘要

质子交换膜燃料电池的双极板是其核心部件之一,双极板的性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。由于金属材料具有导电导热性好、机械强度高、易加工和成本低等优点而成为应用最多的质子交换膜燃料电池双极板材料。冲压加工的金属双极板刚度不足,成形后易受残余应力的影响发生翘曲变形,导致流场区脊部与气体扩散层接触不良,降低燃料电池的性能;金属双极板经多个工序制造,过程中会不可避免的产生尺寸误差并累积,金属双极板的尺寸误差会影响其与气体扩散层的接触。提高金属双极板的刚度和改善其与气体扩散层的接触对于在降低成本的同时提高燃料电池的性能有重大意义。
　　 本文提出了一种质子交换膜燃料电池的弧面结构金属双极板,对比了这种弧面金属双极板与普通金属双极板的刚度和与气体扩散层的接触性能,并从金属双极板与气体扩散层接触的角度设计了金属双极板的流道结构和尺寸公差。本文所做的主要工作包括:
　　 通过用有限元方法对比无流道特征的普通金属薄板和弧面金属薄板的刚度,及进行试验验证,发现弧面金属薄板的刚度和抗变形能力大于普通金属薄板。同理,通过用有限元方法对比普通金属极板和弧面金属极板的刚度,可知弧面结构有利于提高金属双极板的刚度和抗变形能力。
　　 建立带有加工尺寸误差的普通和弧面金属双极板与气体扩散层接触的参数化有限元模型,通过用蒙特卡罗模拟法研究金属双极板与气体扩散层的接触,及对比普通金属双极板和弧面金属双极板的模拟结果,得知以此二维有限元模型计算的弧面结构对改善金属双极板与气体扩散层的接触作用不明显。
　　 通过研究不同流道结构的金属双极板与气体扩散层接触并进行比较,得知脊部圆角半径较小且脊与流道宽度比较小的斜流道侧壁的金属双极板与气体扩散层接触较好,同时也得到不同流道结构的金属双极板在满足接触条件前题下允许的最大加工尺寸误差。
　　 本文的研究结果为优化金属双极板的结构以提高其使用性能提供了新思路,也为金属双极板的流道结构和尺寸公差设计提供了方法和依据。