质子交换膜燃料电池电堆的热力耦合封装力学研究

论文摘要

燃料电池是将氢气与氧气的化学能直接转化为电能的电化学发电装置,最终主要反应产物只有水。随着能源危机和环境污染问题不断加重,燃料电池作为一种高效、清洁、环境友好的能源设备得到了广泛关注。其中,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)由于可在室温快速启动、无电解液流失以及寿命长等优点,成为目前研究最多、应用最广的燃料电池类型之一,在航空、航天、航海、移动电源和分散电站等领域都有着良好的应用前景。特别是在汽车工业中,PEMFC被认为是新型环保汽车的最佳动力源。实际应用中的PEMFC产品多为大型电堆结构,研究和解决PEMFC电堆在封装载荷作用下的力学问题,对推动PEMFC技术的发展,提高PEMFC的效率、可靠性及寿命等综合性能具有重要意义。其中分析温度影响、选取封装载荷以及优化设计端板结构等封装力学问题尤为关键。本文以PEMFC电堆为研究对象,以数值仿真为主要研究方法,针对上述力学问题展开一系列研究。本论文共分为五章,主要研究工作如下：第一章介绍了燃料电池的种类和研究进展,随后重点介绍了PEMFC的工作原理、结构特点和组件功能,并详细论述了PEMFC电堆封装过程中温度的影响、封装载荷的选取以及端板的优化设计等关键力学问题。第二章结合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)与有限单元法(Finite Element Method, FEM),基于典型结构分别建立了PEMFC单电池和多级电堆的热力耦合仿真模型,依次分析和对比了两种结构在不同工作状态时温度、应力、应变及膜电极(Membrane Electrolyte Assembly, ME A)表面接触压力的分布形式和变化规律,研究了多级电堆整体及内部各级双极板的变形规律,最后讨论了工作环境散热、冷却介质流速以及冷却介质类型等散热因素对结构温度和应力分布的影响。第三章针对目前对大型PEMFC电堆进行整体力学性能计算耗时巨大的难题,基于等效刚度的基本思想,提出了大型PEMFC电堆整体封装的等效刚度力学模型,利用此模型可快速求得电堆系统在封装载荷作用下的力学响应,进而可以研究封装载荷、外界环境和工作温度对PEMFC电堆主要结构承载和变形规律的影响。通过将等效刚度模型与FEM进行典型PEMFC单电池结构整体刚度的对比计算,发现前者将节省至少一个量级的计算时间,同时还可给予良好的精度,为电堆封装载荷设计提供了新的设计手段。第四章以典型PEMFC电堆结构为研究对象,从结构强度、产品性能和温度影响等因素出发,详细论述了系统使用等效刚度模型进行封装载荷选取的完整设计过程,并将等效刚度模型的应用扩展到燃料电池结构可靠性设计领域,利用等效刚度模型分析了典型PEMFC电堆的结构可靠性。研究进一步表明,等效刚度模型的提出为电堆封装研究提供了全新的设计思路和高效的设计工具。第五章基于典型PEMFC电堆结构,结合FEM建立了用于端板优化设计的多目标拓扑优化模型。利用加权系数法将问题转化成单目标优化问题进行分析,并引入等效刚度模型进行了适当的简化以减少不必要的计算工作。经过拓扑优化设计后,可使端板结构达到质量轻、刚度高的相关设计要求,既节省材料成本,还可提高电堆的性能和寿命。最后讨论了封装螺栓个数、电堆设计级数以及多目标优化加权函数等设计参数对电堆优化设计的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.2.1 PEMFC发展简史
• 1.2.2 PEMFC工作原理和特点
• 1.2.3 PEMFC电堆结构部件
• 1.3 PEMFC电堆封装力学
• 1.3.1 封装载荷的设计
• 1.3.2 温度的影响
• 1.3.3 端板结构的设计
• 1.4 本文主要研究内容及意义
• 2 PEMFC电堆的三维稳态温度场及应力场分析
• 2.1 引言
• 2.2 本章建模理论基础与计算方法
• 2.2.1 温度场分析方法
• 2.2.2 热应力分析方法
• 2.3 三维稳态温度场及应力场数值分析
• 2.3.1 数值模型的建立
• 2.3.2 单电池模型的热力耦合分析
• 2.3.3 多级电堆模型的热力耦合分析
• 2.4 散热因素对温度场和应力场分布的影响
• 2.4.1 工作环境散热的影响
• 2.4.2 冷却介质流速的影响
• 2.4.3 冷却介质类型的影响
• 2.5 本章小结
• 3 PEMFC电堆封装的等效刚度力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 PEMFC电堆等效刚度力学模型的建立
• 3.2.1 模型基本假设
• 3.2.2 单电池的等效刚度力学模型
• 3.2.3 电堆的等效刚度力学模型
• 3.2.4 等效刚度力学模型的修正与补充
• 3.2.5 等效刚度力学模型设计封装载荷的简单流程
• 3.3 等效刚度力学模型的验证
• 3.3.1 FEM模型的建立
• 3.3.2 模型对比分析
• 3.4 本章小结
• 4 PEMFC电堆封装载荷设计及可靠性分析
• 4.1 引言
• 4.2 螺栓连接基本力学知识
• 4.3 PEMFC电堆的最优封装载荷设计
• 4.3.1 基于强度原则设计封装载荷
• 4.3.2 基于性能原则设计封装载荷
• 4.3.3 其它影响因素的讨论
• 4.4 PEMFC电堆的结构可靠性设计
• 4.4.1 可靠性在机械设计中的应用
• 4.4.2 电堆可靠性建模与分析
• 4.5 本章小结
• 5 PEMFC电堆端板的多目标拓扑优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 多目标拓扑优化设计理论基础
• 5.2.1 连续体拓扑优化
• 5.2.2 多目标优化
• 5.3 端板多目标拓扑优化模型
• 5.3.1 多目标拓扑优化模型建立
• 5.3.2 优化计算分析
• 5.3.3 封装螺栓个数对优化设计的影响
• 5.3.4 电堆设计级数对优化设计的影响
• 5.3.5 多目标优化加权函数对优化设计的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 未来工作展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文和获得发明专利情况
• 致谢
• 作者简介