質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)崃︸詈闲?yīng)影響分析.pdf

1、質(zhì)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(zhuǎn)換裝置,有著工作溫度低、啟動(dòng)快、效率高、污染低、功率密度高等優(yōu)點(diǎn),有望代替常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)成為未來汽車的主要?jiǎng)恿υ?。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(duì)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(dǎo)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(yīng)氣體泄漏等嚴(yán)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(dǎo)致傳質(zhì)難度加大,甚至導(dǎo)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(dòng)溫度隨環(huán)境變化而變化,而穩(wěn)定運(yùn)行的溫度在80℃左右,電堆各部件間的熱脹冷縮產(chǎn)生的熱力耦合效應(yīng)導(dǎo)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(duì)象,采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,

3、分析在PEMFC運(yùn)行過程中熱-裝配壓力耦合作用(熱力耦合效應(yīng))對(duì)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(gè)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(chǔ),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(yīng)力的基本方程及解法等;結(jié)合燃料電池電堆的裝配特點(diǎn),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(chǔ)。2.燃料電池電堆裝配熱力耦合仿真分析:運(yùn)

4、用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)燃料電池單電池電堆熱力耦合效應(yīng)進(jìn)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(chǎng)來模擬溫度變化情況,通過施加預(yù)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(yīng)對(duì)MEA的接觸壓力大小及分布存在較大影響以及對(duì)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(yīng)實(shí)驗(yàn)研究:建立了燃料電池裝配熱力耦合效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究方案,研究了