質子交換膜燃料電池熱力耦合效應影響分析.pdf

1、質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一種高效、清潔的能源轉換裝置,有著工作溫度低、啟動快、效率高、污染低、功率密度高等優(yōu)點,有望代替常規(guī)發(fā)動機成為未來汽車的主要動力源。在燃料電池的裝配過程中,膜電極組件(Membrane Electrode Assembly, MEA)的接觸壓力分布對接觸電阻以及GDL的孔隙率有重要影響。一方面,過小的裝配壓力將導致雙極板與GDL界面

2、的接觸電阻過大,影響電池性能,甚至造成密封不好,反應氣體泄漏等嚴重后果;另一方面,過大的裝配壓力造成GDL孔隙率減低和GDL侵入流道量增大,導致傳質難度加大,甚至導致GDL失效,從而降低了燃料電池性能。燃料電池電堆通常在常溫下裝配,啟動溫度隨環(huán)境變化而變化,而穩(wěn)定運行的溫度在80℃左右,電堆各部件間的熱脹冷縮產生的熱力耦合效應導致電堆裝配壓力控制非常困難。本文以MEA與雙極板之間的接觸壓力為主要研究對象,采用數(shù)值仿真和實驗相結合的方法,

3、分析在PEMFC運行過程中熱-裝配壓力耦合作用(熱力耦合效應)對MEA上接觸壓力大小及分布的影響規(guī)律。主要研究工作在以下幾個方面展開:1.燃料電池裝配熱力耦合建模方法:本文首先介紹了電堆裝配熱力耦合有限元建模的理論基礎,包括基本方程建立、基本解法(特別是非線性問題的解法)、溫度應力的基本方程及解法等;結合燃料電池電堆的裝配特點,分析并選擇了電堆建模以及求解需要的合適方法,為仿真建模打下了理論基礎。2.燃料電池電堆裝配熱力耦合仿真分析:運

4、用有限元分析軟件ABAQUS對燃料電池單電池電堆熱力耦合效應進行數(shù)值模擬,建立了包括端板、密封圈、螺栓、螺母、雙極板以及MEA的三維PEMFC電堆模型,通過施加溫度場來模擬溫度變化情況,通過施加預緊力來模擬螺栓-螺母連接提供的裝配壓力,得出熱力耦合效應對MEA的接觸壓力大小及分布存在較大影響以及對不同端板材料、幾何尺寸的電堆裝配壓力影響程度不同。3.燃料電池電堆裝配熱力耦合效應實驗研究:建立了燃料電池裝配熱力耦合效應實驗研究方案,研究了