大型燃料电池堆可靠性分析与设计

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）凭借高效率、无污染的优点受到广泛关注，是一种具有广阔发展前景的发电装置。在工程应用中，产品可靠性受到越来越多的关注，如何提升产品可靠度成为燃料电池性能研究的热点之一。本文以PEMFC电堆为研究对象，利用可靠性理论和等效刚度模型，分析了电堆组件可靠度。根据电堆组件可靠度的分析结果，提出一种基于组件结构应力的大型电堆可靠性设计方法，以提升电堆系统可靠度。通过对电堆的封装载荷及组件厚度差进行最优化设计，调节组件间的接触应力使各组件分别处于最佳应力状态，实现了电堆的可靠性设计。
　　根据应力—强度分布干涉理论，电堆内各组件的可靠度由组件强度和接触应力决定。本文综合考虑前人的研究结果和电堆的性能要求，确定了各组件的强度标准。利用等效刚度模型建立了各组件接触应力的具体表达式，研究表明接触应力由封装载荷、组件的尺寸和弹性模量等决定。由于受到很多不确定因素影响，组件的强度和接触应力都是随机变量，本文利用一阶二次矩法，研究了组件接触应力的分布特征。
　　为研究组件接触应力变异系数的灵敏度，本文采用控制变量法，发现接触应力变异系数的最大影响因素为组件尺寸的变异系数。同时结合文献资料，确定了组件接触应力变异系数的可能变化范围。最后利用应力—强度分布干涉模型，研究了不同变异系数下，接触应力对组件可靠度的影响。发现过大或过小的接触应力均不利于组件的可靠性，组件存在最佳接触应力区间，使组件可靠度维持在最高水平，且变异系数越大该最佳区间范围越小。
　　确定了各组件的最佳接触应力后，利用等效刚度模型对电堆进行可靠性设计。设计组件厚度差和封装载荷，以实现协调各组件接触应力使其分别处于最佳应力状态，提升电堆可靠性的要求。结果表明设计后的电堆系统可靠度有显著提升，而且存在最优组件厚度差和封装载荷使电堆可靠性处于最高等级。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 燃料电池概述

1.2 质子交换膜燃料电池

1.3 机械可靠性研究的内容和意义

1.4 本文研究内容

2 结构可靠性计算理论

2.1 应力—强度分布干涉理论

2.2 可靠度计算的简化方法

2.3 电堆系统可靠性分析

2.4 本章小结

3 燃料电池组件可靠性计算

3.1 组件失效模式及强度确定

3.2 组件接触应力分布

3.3组件接触应力变异系数研究

3.4 组件可靠度计算

3.5 本章小结

4 基于结构应力的PEMFC电堆可靠性设计

4.1 确定设计变量

4.2 某型号电堆可靠性设计

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢