質(zhì)子交換膜燃料電池堆端板優(yōu)化設(shè)計(jì)及抗沖擊性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池堆（以下簡(jiǎn)稱電堆）由于啟動(dòng)快、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，尤其在汽車工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，被公認(rèn)為最佳動(dòng)力源。一方面，大型電堆的封裝載荷大小及其在電堆部件中的均勻化分布直接影響著電堆效率、穩(wěn)定性和使用壽命。燃料電池的端板可與緊固件配合為電堆提供適當(dāng)?shù)姆庋b壓力，控制內(nèi)部接觸壓力分布，其力學(xué)特性對(duì)燃料電池整體性能有重要影響。合理的端板結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度，并且體積小、質(zhì)量輕，易加工。傳統(tǒng)端板設(shè)計(jì)多基于工程經(jīng)驗(yàn)，沒有使用理

2、論工具在初始設(shè)計(jì)階段保證結(jié)構(gòu)最優(yōu)形狀和拓?fù)?。本文基于拓?fù)鋬?yōu)化理論和有限元方法，考慮多個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，建立了多目標(biāo)燃料電池端板拓?fù)鋬?yōu)化模型，對(duì)鋼帶封裝端板進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最佳材料分布和最優(yōu)外形。分析計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后端板結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕而且在封裝后能夠提供更均勻的內(nèi)部界面接觸壓力，從而節(jié)省材料成本并提高電堆的使用壽命和整體工作性能。另一方面，電堆經(jīng)常會(huì)在封裝、運(yùn)輸和服役過程中經(jīng)歷振動(dòng)和沖擊，特別是被用在電動(dòng)汽車上的時(shí)候

3、。這種沖擊通常會(huì)引起電堆工作性能的衰退，甚至可能引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。本文在端板優(yōu)化的基礎(chǔ)上用數(shù)值模擬的方法研究了鋼帶封裝的電堆沖擊力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明封裝帶位置的分布對(duì)電堆的抗沖擊性能有很大的影響，同時(shí)靠近端板的電池單元相對(duì)于那些遠(yuǎn)離端板的有更差的抗沖擊表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)燃料電池在垂直于封裝方向的沖擊力作用下，電池單元在層間可能出現(xiàn)微小滑動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為不同程度的塌腰現(xiàn)象。通過大規(guī)模有限元計(jì)算，討論了封裝壓力與沖擊加速度以及摩擦系數(shù)對(duì)層間滑動(dòng)量的影