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钢带封装燃料电池端板优化设计

魏铭瑛  
【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。


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