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质子交换膜燃料电池热力耦合效应影响分析

作　者: 严蓉蓉
导　师: 倪军；来新民
学　校: 上海交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 热力耦合质子交换膜燃料电池接触压力装配气体扩散层
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一种高效、清洁的能源转换装置,有着工作温度低、启动快、效率高、污染低、功率密度高等优点,有望代替常规发动机成为未来汽车的主要动力源。在燃料电池的装配过程中,膜电极组件(Membrane Electrode Assembly, MEA)的接触压力分布对接触电阻以及GDL的孔隙率有重要影响。一方面,过小的装配压力将导致双极板与GDL界面的接触电阻过大,影响电池性能,甚至造成密封不好,反应气体泄漏等严重后果;另一方面,过大的装配压力造成GDL孔隙率减低和GDL侵入流道量增大,导致传质难度加大,甚至导致GDL失效,从而降低了燃料电池性能。燃料电池电堆通常在常温下装配,启动温度随环境变化而变化,而稳定运行的温度在80℃左右,电堆各部件间的热胀冷缩产生的热力耦合效应导致电堆装配压力控制非常困难。本文以MEA与双极板之间的接触压力为主要研究对象,采用数值仿真和实验相结合的方法,分析在PEMFC运行过程中热-装配压力耦合作用(热力耦合效应)对MEA上接触压力大小及分布的影响规律。主要研究工作在以下几个方面展开:1.燃料电池装配热力耦合建模方法:本文首先介绍了电堆装配热力耦合有限元建模的理论基础,包括基本方程建立、基本解法(特别是非线性问题的解法)、温度应力的基本方程及解法等;结合燃料电池电堆的装配特点,分析并选择了电堆建模以及求解需要的合适方法,为仿真建模打下了理论基础。2.燃料电池电堆装配热力耦合仿真分析:运用有限元分析软件ABAQUS对燃料电池单电池电堆热力耦合效应进行数值模拟,建立了包括端板、密封圈、螺栓、螺母、双极板以及MEA的三维PEMFC电堆模型,通过施加温度场来模拟温度变化情况,通过施加预紧力来模拟螺栓-螺母连接提供的装配压力,得出热力耦合效应对MEA的接触压力大小及分布存在较大影响以及对不同端板材料、几何尺寸的电堆装配压力影响程度不同。3.燃料电池电堆装配热力耦合效应实验研究:建立了燃料电池装配热力耦合效应实验研究方案,研究了不同装配工艺条件下热力耦合效应对电堆中MEA接触压力大小及分布的影响规律,实验发现,热力耦合效应使得MEA与极板脊接触部分的接触压力明显增大。最后分析了密封圈厚度对热力耦合效应影响的补偿作用,为燃料电池电堆装配提供了参考。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 引言  9
  1.2 本课题研究目的与意义  9-11
  1.3 质子交换膜燃料电池应用及研究综述  11-15
    1.3.1 质子交换膜燃料电池的研究及应用前景  11-12
    1.3.2 质子交换膜燃料电池工作原理  12-13
    1.3.3 质子交换膜燃料电池的关键部件  13-15
  1.4 质子交换膜燃料电池电堆热力耦合分析  15-19
    1.4.1 质子交换膜燃料电池装配特点  15-16
    1.4.2 质子交换膜燃料电池装配压力研究现状  16-18
    1.4.3 质子交换膜燃料电池热力耦合特点及研究现状  18-19
    1.4.4 质子交换膜燃料电池热力耦合研究存在的问题  19
  1.5 本文工作  19-21
第二章装配热力耦合有限元建模理论  21-36
  2.1 引言  21
  2.2 有限元的基本思想  21-22
  2.3 有限元的理论基础  22-24
    2.3.1 微分方程的等效积分形式  22-23
    2.3.2 基于等效积分形式的近似方法—加权余量法  23-24
    2.3.3 基本方程  24
  2.4 热力耦合分析方法  24-35
    2.4.1 温度应力方程及解法  24-28
    2.4.2 非线性有限元分析  28-31
    2.4.3 基于ABAQUS 有限元建模方法  31-33
    2.4.4 热力耦合装配模型分析  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章 PEMFC 电堆热力耦合建模  36-49
  3.1 引言  36
  3.2 PEM 燃料电池热力耦合分析模型  36-40
    3.2.1 几何参数  37-38
    3.2.2 划分网格  38-39
    3.2.3 材料属性定义  39
    3.2.4 载荷施加和边界条件设置  39-40
  3.3 数值仿真及结果  40-47
  3.4 本章小结  47-49
第四章 PEMFC 电堆热力耦合影响规律实验研究  49-76
  4.1 引言  49
  4.2 实验电堆  49-51
  4.3 实验条件与步骤  51-55
    4.3.1 实验步骤及方法  51-53
    4.3.2 温度对压敏纸的影响分析方法  53-55
  4.4 实验分析  55-74
    4.4.1 热力耦合对铜端板电堆装配压力的影响规律  55-61
    4.4.2 热力耦合对铝端板电堆装配压力的影响规律  61-67
    4.4.3 热力耦合对不同厚度密封圈的电堆装配压力影响分析  67-74
  4.5 本章小结  74-76
第五章结论与展望  76-78
  5.1 结论  76-77
  5.2 展望  77-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  82-84

质子交换膜燃料电池热力耦合效应影响分析

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