质子交换膜燃料电池金属双极板成形工艺研究

摘要

在环境、资源问题日益突出的今天,燃料电池的出现为能源可持续发展带来了希望,成为21世纪首选的发电装置。质子交换膜燃料电池作为一种新型的、性能良好的、有远大发展前途的燃料电池,更是受到很多的关注和研究。但是目前有很多因素制约了质子交换膜燃料电池的普及,双极板的制造成本就成为其中一个很大的障碍之一。
　　本文采用两种不同的成形方法,利用有限元分析软件来比较两种方法对质子交换膜燃料电池双极板的成形工艺的影响,选择出最适合批量生产双极板的方法,从而达到降低生产成本的目的。首先,深入了解了拉深工艺的成形方法。对拉深过程的变形分析、拉深中坯料内部的应力与应变状态以及拉深过程中的力学分析进行细致的研究,并且简单地了解了拉深件的起皱和防止措施。另外,对于模具圆角的设计也做了进一步地研究,为后面建立有限元模型打好基础。其次,在熟悉LS-DYNA软件的基础上,建立了刚性模具冲压双极板单根流道的有限元模型。为了研究流道参数对整个极板成形工艺的影响,分别对流道开口斜度、上圆角、下圆角的不同情况做了分析比较,最后得出最理想的流道几何参数。同时得到一些发现:开口斜度的增大有利于极板的成形;上圆角的增大会降低双极板的最大应力应变;下圆角取合适的圆角大小,能使薄板的填充能力更好。在软模成形冲压分析中,以优化的流道参数为基础,建立软模冲压有限元模型,也成功冲压出流道形状,并和传统的刚性模具冲压成形方法做了比较。双极板的两种成形工艺,在成形方法、成形过程、冲压载荷、经济使用度方面都做了比较,比较结果表明:软模冲压成形可以节约设计时间和模具制造成本,适合较小流道深度的双极板冲压,可以为中小型工厂批量生产金属双极板节约成本。

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 燃料电池的概述

1.1.1 燃料电池的发展

1.1.2 燃料电池的概念及特点

1.1.3 燃料电池的分类和性能

1.2 质子交换膜燃料电池

1.2.1 质子交换膜燃料电池的发展

1.2.2 质子交换膜燃料电池工作原理

1.2.3 质子交换膜燃料电池的构件

1.3 PEMFC双极板

1.3.1 双极板的特点

1.3.2 双极板的分类

1.3.3 金属双极板的成形方法

1.4 课题来源和主要研究内容

1.5 本章小结

第2章 金属双极板冲压成形工艺

2.1 引言

2.2 拉深变形过程分析与坯料的应力、应变状态

2.2.1 拉深变形过程分析

2.2.2 拉深过程中坯料内的应力与应变状态

2.3 拉深过程中的力学分析

2.3.1 凸模变形区的应力分布

2.3.2 拉深时的拉深力

2.4 拉深件的起皱与防止措施

2.5 模具圆角设计

2.5.1 凹模入口圆角半径

2.5.2 凸模底部圆角半径

2.6 本章小结

第3章 双极板冲压成形工艺分析

3.1 引言

3.2 ANSYS/LS-DYNA软件的功能特点

3.2.1 LS-DYNA的特点

3.2.2 LS-DYNA的应用和分析流程

3.3 双极板模型建立的前处理

3.4 双极板冲压成形参数设计

3.4.1 斜度的研究

3.4.2 圆角的研究

3.5 本章小结

第4章 软模成形的研究和比较

4.1 引言

4.2 软模成形工艺概述

4.2.1 软模成形特点

4.2.2 软模成形存在的问题

4.2.3 软模材料的选择

4.3 软模成形数值仿真

4.3.1 模型的建立

4.3.2 接触定义

4.3.3 边界条件和载荷的设定

4.4.4 仿真模拟结果

4.4 两种冲压方法比较

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢