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质子交换膜燃料电池接触电阻的数值模拟分析

高鹏  
【摘要】:质子交换膜燃料电池的接触电阻问题造成了大量能量的损失,这限制了其在汽车、航天航空等领域的应用。燃料电池的接触电阻模型的建立是解决这些问题的基础,本文采用数值模拟方法对质子交换膜燃料电池的运行过程中接触状况进行了研究,分析了其在运行过程中的力、热、电的接触状况;模拟了质子交换膜燃料电池的运行过程中各区域的压力、电压、温度等的分布规律;并根据分析的结果和接触电阻存在原因提出了改善质子交换膜燃料电池的接触电阻的工艺措施。 预压阶段确定了接触电阻的形成的初始条件,对接触电阻的形成有很大影响。本文首先建立了预压接触分析的有限元模型,燃料电池预压阶段的接触状况进行了数值分析,讨论了预压接触的主要影响因素与规律。并利用接触电阻与接触压力的关系作为计算公式,为接触电阻的数值模拟奠定了基础。 在预压接触分析和电接触分析的基础上,本文建立了质子交换膜燃料电池的运行过程的力、热、电耦合分析有限元模型,通过对ANSYS的APDL语言进行二次开发,实现了不同条件下力、热、电三场的耦合分析。与以往模型相比,考虑了变形、接触面变化对热电分析的影响;考虑了温度对结构的影响,乃至最终对接触电阻的影响。结果表明本文所建模型可比较准确地反映质子交换膜燃料电池的运行过程。 利用本文建立的数值模拟模型,对不同双极板截面条件下质子交换膜燃料电池运行过程中的接触状况进行了数值模拟。对过程中接触面、接触压力、电流密度、接触电阻、本体电阻、温度场、热流密度、位移等的变化规律进行了定量分析,从理论上探明了接触电阻的形成机理,且比较了不同双极板截面条件下,燃料电池的接触电阻的差异。 根据燃料电池的运行过程产热和电压分布的分析结果,从接触电阻问题的原因入手,分析提出了改善接触电阻的一些工艺措施。


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