钢带封装燃料电池端板优化设计

发布时间：2017-07-19 19:25

  本文关键词：钢带封装燃料电池端板优化设计

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【摘要】：燃料电池是一种发展迅速的新型发电装置,在航空航天、汽车、潜艇、移动设备等诸多领域都有广泛的应用前景。燃料电池堆的端板与紧固件配合,起到为内部组件提供封装力的作用,是决定电池堆综合性能的重要部件。本文采用有限元方法,分析了封装力作用下的电池堆内部结构变形和组件内气体传输情况,并以改善电池堆内部接触面变形均匀性为目标,对钢带封装的大型燃料电池堆端板进行了形状与拓扑优化设计。首先使用Abaqus分析了钢带封装电池堆在封装力作用下的应力与变形,发现电池堆内部结构出现了明显的不均匀压缩变形。其次使用Comsol研究了封装力作用下一个典型双极板对气体扩散层的压缩特性,并对气体扩散层的形变、孔隙率的变化、气体的传输及接触压力分布进行了耦合分析,发现它们都与电池的电化学反应效率密切相关。若端板设计不合理,引起气体扩散层的不均匀压缩会降低电堆的电化学反应效率,说明了尽可能通过改进端板设计使内部结构变形均匀的必要性。为了获得最优的钢带封装的电池堆端板,利用Ansys与Isight软件,以最小化电池堆内部接触面上法向位移标准差为目标,使用模拟退火算法对端板截面外轮廓进行了形状优化设计,获得了在封装力作用下使内部接触面变形最均匀的端板截面外轮廓。在这个优化的截面外轮廓的基础上,进一步利用Optistruct软件进行截面的拓扑优化得到了最优截面拓扑。基于这个外轮廓和拓扑优化后的截面形状,通过拉伸可以得到一个三维端板结构,最后通过取这个三维端板上的若干控制截面进行进一步优化设计,实现了三维端板的结构优化设计。优化后,在封装力作用下内部接触面变形的不均匀性有明显改善,接触面上法向位移标准差提高了9.16%,并且满足强度要求,并对燃料电池电堆端板优化设计具有参考价值。
【关键词】：燃料电池 钢带封装 端板 优化设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 1. 绪论7-16
• 1.1. 燃料电池概述7
• 1.2. 质子交换膜燃料电池基本原理及结构7-9
• 1.3. 燃料电池封装中的力学问题9-11
• 1.4. 结构优化方法在端板设计中的应用11-14
• 1.4.1. 端板的优化设计11-13
• 1.4.2. 结构优化理论简介13-14
• 1.4.3. 模拟退火算法14
• 1.5. 本文主要研究内容14-15
• 1.6. 本章小结15-16
• 2. PEMFC电堆模型建立与分析16-33
• 2.1. PEMFC电堆几何模型简化16-20
• 2.2. 封装力作用下整体电堆的受力状态20-25
• 2.3. 封装压缩对GDL的影响分析25-32
• 2.3.1. 有限元模型及控制方程26-28
• 2.3.2. 结果分析与讨论28-32
• 2.4. 本章小结32-33
• 3. PEMFC电堆端板分步优化33-50
• 3.1. 端板外轮廓形状优化设计33-39
• 3.1.1. 形状优化的计算模型34-38
• 3.1.2. 计算过程与结果分析38-39
• 3.2. 端板连续体拓扑优化39-45
• 3.2.1. 拓扑优化的计算模型40-42
• 3.2.2. 拓扑优化的后续形状优化及结果分析42-45
• 3.3. 端板三维结构优化45-49
• 3.3.1. 三维优化模型建立45-46
• 3.3.2. 三维优化结果分析46-49
• 3.4. 本章小结49-50
• 结论50-51
• 参考文献51-54
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况54-55
• 攻读硕士学位期间参加课题情况55-56
• 致谢56-57

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本文编号：564473