《力-溫-濕多場耦合對PEMFC性能損耗影響的機理研究》是依託同濟大學，由張智明擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：力-溫-濕多場耦合對PEMFC性能損耗影響的機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張智明
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
目前降低燃料電池堆性能損耗的研究大多忽略了電堆集成設計中涉及的緊固力的影響；或考慮其影響，但沒有注意燃料電池實際運行過程中的反應物溫度、相對濕度的條件限制，導致模型簡化過於簡單，對性能損耗預測的實用性和準確性差。本項目從電堆緊固集成設計對燃料電池性能損耗影響的力-溫-濕耦合問題出發，根據緊固力、溫度和濕度耦合作用導致的燃料電池組件的力結構變形、受熱以及吸水膨脹變形，以及膨脹變形又對接觸壓力和接觸電阻的影響規律，深入研究緊固力-溫度-濕度耦合作用機理。通過建立多場耦合的本構方程，找出公共變數，推導耦合方程的求解方法，給出有限元表達形式。採用有限元方法離散，運用計算流體力學和有限元方法聯合模擬仿真，實現緊固力與溫度、濕度相關條件參數的合理匹配，最佳化電堆骨架結構，保證燃料電池性能最優。成果將有助於揭示燃料電池性能損耗的影響規律，為提高燃料電池堆的集成設計提供理論基礎和技術支撐。
結題摘要
項目以質子交換膜燃料電池這種典型層疊結構的集成封裝設計為研究對象，對燃料電池的封裝力-工作溫度-工作濕度的多場耦合作用機理、性能參數最佳化、封裝設計、端板最佳化和壓力分布均勻性最佳化方法進行了系統研究。主要成果包括：（1）建立了三維力-溫-濕多場耦合燃料電池性能有效預測模型，並進行實驗驗證，誤差小於3%，達到國內先進水平；揭示了燃料電池內部工作狀態參數分布及耦合機理，分析了燃料電池外部操作參數：工作溫度、空氣化學計量比、空氣濕度、空氣壓力及封裝載荷對燃料電池性能影響及影響因子大小，最佳化後燃料電池性能提升10%，單片電池電壓達到0.713 V，接近日本豐田燃料電池的國際先進水平。（2）在以螺桿的燃料電池第一代封裝設計的燃料電池進行了系統實驗，提出了“面載入”的鋼帶綑紮第二代燃料電池封裝設計；建立了端板力學分析模型，對設計參數（端板尺寸、形狀及鋼帶數量、位置）進行最佳化，通過數學解析方法，採用以燃料電池上下端板變形最小為目標的形狀最佳化算法，確定最佳化後的端板骨架尺寸和形狀。（3）通過有限元方法建立燃料電池電堆的二維和三維模型，從電池平面和厚度兩個維度研究了封裝設計中端板和綑紮鋼帶的結構設計參數，從而解決燃料電池模型格線數量過大無法計算的問題。研究了金屬雙極板和石墨雙極板燃料電池不同數量單電池封裝下的接觸壓力分布規律，確定了相同封裝位移載荷下的燃料電池單電池數量和內部接觸應力的擬合關係曲線。獲得燃料電池單電池數量增加時，內部接觸壓力逐漸減小的分布規律。首次提出以燃料電池單電池間設計不同厚度密封膠的方法，改善了大尺寸燃料電池厚度方向的接觸壓力不均勻現象和在相同封裝位移載荷下不同單電池數量的燃料電池電堆接觸壓力均勻性差的問題。項目研究成果可套用於燃料電池中，有利於提高燃料電池的電化學性能，同時提升燃料電池效率。
