燃料电池堆力学结构研究与端板优化设计

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1、燃料电池堆力学结构研究与端板设计优化刘志伟杨海玉胡杨月东方电气集团中央研究院，成都611731摘要:针对燃料电池堆端板装配过程中易发生变形的现象，以ANSYS软件为工具建立了电堆的三维有限元模型，研究了端板在采用不同材料、结构和功能设计时的变形分布和应力分布。结果表明，通过选择合适的端板材料、优化端部结构、控制预紧力分配以及整合端部功能，可以有效地减小电堆的装配变形，改善密封效果以及提高比功率密度等性能指标。通过实测电堆的节电压分布验证了端板设计的合理性。关键词:燃料电池;端板;三维有限元模型;应力应变;比功率密度中图分类号:TM911文献标识码:A文章编号:1001－9006(2

2、015)02－0008－07DOI:10.13661/j.cnki.issn1001-9006.2015.02.002StudyonMechanicalStructureandEndPlateDesignOptimizationofFuelCellStackLIUZhiwei，YANGHaiyu，HUYangyue(CentralＲesearchAcademyofDongfangElectricCorporation，611731，Chengdu，China)Abstract:Athreedimensionalfiniteelementmodelisestablishedtosim

3、ulatetheendplatedeformationoffuelcellstackinitsassemblyprocessusingANSYSsoftware．Baseonthismodel，thedistributionsofstressandstrainoverdifferentendplatestructuresarestudiedintermsofmaterialtype，stackdesignandfunctionrequirement．Theresultsindicatethatthedeformationofthestackintheassemblyprocessc

4、anbesignificantlyreducedbyendplatematerialselection，structureoptimization，preloadcontrolandfunctionintegration．Meanwhile，withlowerendplatedeformationduringfuelcellsystemoperation，thesealingpropertyandspecificpowerdensityofstackcanalsobeimproved．Finallytheendplatestructuredesignandrobustassembl

5、yprocessareverifiedbystackperformanceandcellvoltagedistributionprofile．Keywords:fuelcellstack;endplate;threedimensionalfiniteelementmodel;stressandstrain;stackpowerdensity作为一种新型清洁发电装置，质子交换膜燃料燃料电池堆是燃料电池发电系统的核心模块，电池具备能量转换效率高、启动速度快、工作温度由膜电极、阴极板、阳极板、绝缘板、集流板、低、发电过程无噪音、产物无污染以及可连续工作端板和密封层等部件组成，如图1所示。

6、膜电极夹等优点，已成为国内外新能源发电技术研究的热点。嵌于阴、阳极板之间构成单电池，单电池相互堆质子交换膜燃料电池可广泛应用于家庭热电联供、叠组成多节电池，辅之以集流板、绝缘板和端板，交通运输、静态电站以及航天航海等诸多领域，尤在预紧力作用下组装成燃料电池堆。端板作为电其在便携式电源、不间断发电系统以及中小型车辆堆的关键部件之一，通过紧固部件连接各电池组［1］动力电源等领域逐渐步入产业化推广。件，形成稳固的电堆整体结构，并将预紧力均匀收稿日期:2015－03－01作者简介:刘志伟(1986－)，男，2012年毕业于西安交通大学机械工程专业，硕士，工程师。现在东方电气集团中央研究院从

7、事燃料电池研发工作。杨海云(1985－)，男，2011年毕业于华中科技大学化学工程专业，硕士，工程师。现在东方电气集团中央研究院从事燃料电池研发工作。胡杨月(1990－)，女，2012年毕业于重庆大学机械工程专业，学士，工程师。现在东方电气集团中央研究院从事燃料电池与钒电池的研发工作。8分配到电堆内部各组件中。板设计需要考虑的主要技术因素;并通过电堆性能测试验证了新型端板设计的可靠性，为下一代燃料电池电堆端部结构及整体设计优化提供参考。1有限元模型1.1有限元模型为了