质子交换膜燃料电池电堆结构优化设计与动力学性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效、清洁的能源设备，在航空航天、运载交通和便携移动设备等诸多领域具有良好的应用前景。电堆的结构设计、封装方式以及服役中的工况条件都会影响电堆组件的受力状况，进而影响电堆性能。本文以PEMFC电堆为研究对象，利用数值仿真方法进行了结构性能分析与优化设计。第一章综述了国内外相关研究现状，并详细论述了动载荷、封装力和可靠性等电堆结构设计中的关键问题。之后从以下几方面介绍研究内容:
　　第二章介绍了动载荷作用下的车用电堆的结构响应和疲劳损伤分析。针对目前大型电堆的动力学仿真研究的不足，首先开展了电堆振动模态的有限元分析，包括识别电堆主要参与模态，预测电堆在不同频率和方向振动载荷作用下的力学响应，并且讨论了螺栓分布和封装力大小对电堆振动模态的影响。随后在电堆随机振动载荷响应的有限元分析中，依据Miner损伤理论评估了电堆组件的疲劳损伤。从疲劳寿命云图可以发现，螺栓与螺母连接区域以及密封件和PEM的外边缘区域的寿命较短。这说明电堆在服役过程中可能出现螺栓松动、泄漏率上升以及有效电极反应面积减小而导致的性能衰退问题。最后研究了电堆在冲击载荷作用下的力学响应，采用均匀化方法对较大规模的钢带封装电堆的有限元建模做了简化。结果显示，当电堆受到较大横向（垂直于封装力施加方向）冲击加速度作用时，单电池之间会发生相对的滑动位移，电堆整体出现横向的弯曲变形，即“塌腰”现象。这些有限元分析结果可以作为膜电极、密封件和端板等组件结构的详细设计依据。
　　第三章针对钢带封装的电堆端板，进行了多目标结构优化。依据前一章的有限元分析结果，优化目标确定为提升电堆内组件压力分布均匀性和端板刚度。钢带封装是近年来比较流行的大型电堆封装方法，与螺栓封装相比，钢带封装可以使电堆结构更为紧凑。但钢带封装端板的应力状态较为复杂。本文在对钢带封装端板进行优化时，提出了一种多目标分步的优化设计方法。首先，对端板横截面进行二维优化设计，优化分成两步连续的优化过程，即形状优化和拓扑优化，目的是降低数值计算的收敛难度并提高计算的稳定性。计算采用模拟退火算法以提高这种需要考虑非线性接触的优化问题的求解效率和精度。然后，通过形状优化（基于网格节点描述），得到具有光滑边界的端板截面的形状与拓扑优化结果。最后，基于这个二维截面优化结果，对端板进行三维的形状优化（基于几何参数描述）。优化实现了端板减重、电堆组件的均匀受压以及疲劳寿命的增长。
　　第四章提出了电堆的等效刚度-质量建模分析方法。由于电堆的结构应力和性能分析是多尺度与多场耦合问题，利用有限元法分析时，需要数量庞大的单元网格才能达到足够的分析精度。因此需要一种高效、合理的电堆性能分析方法。我们建立的等效模型是把大型电堆简化为由许多组弹簧和质点通过串联或并联组合在一起的力学模型。该模型在保持电堆组件装配关系的同时，将具体的电堆结构参数化，从而可以分析组件的结构应力，并且综合考虑封装力、温度、外部动载荷等因素的影响。这一章为第五章的电堆可靠性研究提供了理论基础。
　　第五章基于等效模型对电堆进行了可靠性分析、性能评估与参数设计。以电堆密封性、组件强度以及组件间不出现相对滑动作为安全准则，得到封装力的可行设计范围。在此基础上，电堆设计中还引入了可靠性设计的理念。电堆的强度与疲劳可靠度会受到每个膜电极与密封件应力状态的影响，而应力状态又与封装力和组件厚度相关。利用等效模型可以快速分析这些参数对于电堆可靠度与功率密度的影响。据此，工程师可以在产品设计初期快速确定这些关键结构设计参数的合理取值，从而保证电堆在服役中具有高可靠度与高功率密度。

目录

声明

摘要

主要符号表

1绪论

1．1质子交换膜燃料电池(PEMFC)

1．1．1 PEMFC的概述

1．1．2 PEMFC的结构特点与工作原理

1．2 PEMFC电堆在动载下响应的研究

1．3封装力与结构优化的研究

1．3．1最优封装力设计

1．3．2端板结构优化设计

1．3．3电堆的结构可靠性研究

1．4本文主要研究内容

1．4．1研究思路与方法

1．4．2文章结构

2 PEMFC电堆在动载下的响应分析

2．1电堆模态分析

2．1．1模态分析理论

2．1．2电堆模态分析的有限元模型

2．1．3电堆的模态分析结果

2．2电堆的随机振动响应和疲劳寿命分析

2．2．1疲劳分析基本理论与电堆的有限元模型

2．2．2电堆疲劳寿命分析结果

2．3电堆的冲击载荷响应分析

2．3．1电堆的均匀化有限元模型

2．3．2电堆冲击响应的有限元计算结果

2．4本章小结

3 PEMFC电堆端板的结构优化

3．1钢带封装端板的分步优化

3．1．1截面形状优化

3．1．2横截面的拓扑优化

3．1．3三维端板的优化

3．2端板优化对于组件疲劳寿命的影响

3．4本章小结

4 PEMFC电堆等效刚度-质量模型

4．1等效刚度-质量模型的建立

4．2验证与误差分析

4．3基于等效模型的电堆性能分析方法

4．4本章小结

5基于等效模型与可靠性的电堆参数设计

5．1电堆在动载下的结构强度

5．2电堆的结构强度可靠性分析

5．2．1结构强度可靠度的计算方法

5．2．2变异系数

5．2．3 电堆结构强度可靠度分析结果

5．3 电堆的结构疲劳可靠性分析

5．4电堆的性能评估

5．5本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2主要创新点

6．3展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介