燃料电池金属气体扩散层结构的力学行为建模及成形成性工艺

For a conventional proton exchange membrane fuel(PEMFC) in plate-and-frame architecture, bipolar plates account for approximate 80% of the stack weight and 60% of the stack volume which restrict the improvement of stack power density. A novel plateless PEMFC architecture, in which the wave-like metallic gas diffusion layer (MGDL) is adopted to give consideration to the function of traditional bipolar plate and GDL, is proposed and the power density is expected to be double. Nevertheless, defects such as fiber breakage and pore distortion are easy to occur in the forming process of wave-like MGDL. The root cause is that the current forming process design theory based on continuous media is not well applicable. In this study, a elastoplastic constitutive model of MGDL and a failure criteria considering the fiber breakage and pore distortion are firstly established based on the theory of micromechanics and statistical method. The modeling method for mechanical behavior of MGDL is thus developed. On this basis, a simulation model for the forming process of wave-like MGDL is then developed to reveal the influence of material, mold and process parameters on forming precision and micro-properties. Thereby, the process design method is achieved integrating the forming and performing performance. Finally, an experimental prototype is set up for the forming process of wave-like MGDL, as a result high-accuracy and high-performance MGDL parts are fabricated. Furthermore, the plateless PEMFC stack is assembled with wave-like MGDL and the performance is evaluated. The achievements of this study are beneficial to provide a basis for the application of novel plateless PEMFC.

传统板框式燃料电池结构中，双极板约占电堆总重量的80%、总体积的60%，制约了电堆功率密度的提高。无极板式燃料电池结构采用波浪型金属气体扩散层兼顾传统意义上的双极板和气体扩散层功能，可将功率密度提一倍以上。然而，波浪型金属气体扩散层成形过程中容易产生纤维断裂和孔隙畸变等缺陷，主要原因是现有的针对连续介质的成形工艺设计理论不能很好的适用。本项目引入细观力学理论和统计学方法，建立金属纤维多孔材料弹塑性本构模型以及考虑纤维断裂和孔隙畸变的失效准则，形成金属纤维多孔材料力学行为建模方法；在此基础上，建立波浪型金属气体扩散层结构成形工艺仿真模型，揭示材料、模具和工艺参数对成形精度和微观性能的影响规律，形成波浪型金属气体扩散层成形成性工艺设计方法；构建金属气体扩散层成形实验原型系统，制备高精度高性能的波浪型金属气体扩散层部件，进而建立无极板式燃料电池实验原型，为新型无极板式燃料电池的应用提供基础。

本项目围绕燃料电池金属气体扩散层（GDL）结构成形过程中容易产生纤维断裂和孔隙畸变等缺陷开展深入研究，建立了波浪型金属GDL成形成性工艺设计方法，形成了金属GDL结构精密成形技术，构建了成形实验原型系统，为高精度高性能的波浪型燃料电池金属GDL部件制备提供了理论与技术基础。. 项目承担单位上海交通大学严格执行项目计划，在以下方面取得进展：（1）基于细观力学和统计理论，建立了金属GDL材料弹塑性本构模型。针对材料的复杂微观结构特征，研究纤维空间分布的几何描述方法。在此基础上，建立基于细观力学的金属GDL材料弹塑性基本方程和塑性屈服准则；采用统计理论，建立包含纤维长度、纤维面内角和纤维俯仰角分布统计特征的弹塑性本构模型，模型预测精度在80%以上。（2）实验研究了金属GDL材料在拉应力和压应力作用下的失效模式，基于弹塑性本构模型，建立包含纤维断裂和孔隙率降低的金属GDL材料微观失效准则。（3）建立金属GDL材料成形性能仿真的二维有限元模型，分析材料的成形规律，进一步建立具有复杂流场特征的波浪型结构成形的三维仿真模型，分析波浪型金属GDL的整体可成形性能，为波浪型金属GDL结构的成形提供指导。（4）在上述模型和分析方法的基础上，建立波浪型PEMFC实验原型并进行性能研究。设计并加工成形模具系统，制备具有复杂流场特征的波浪型金属GDL结构，进而建立波浪型PEMFC实验原型系统，研究其输出性能。对比传统板框式石墨双极板电堆，采用波浪型金属GDL结构的PEMFC功率密度提高三倍以上。. 在该项目的支持下，共发表SCI论文8篇，授权发明专利4项，转让1项。获2015年度高等学校科学研究优秀成果奖（自然奖）一等奖（项目负责人排4），2014年上海市优秀博士论文；入选2014年上海市晨光学者、上海交通大学晨星计划；联合指导研究生入选2014年全国大学生“小平科技创新团队”,指导本科生获评2015年“上海交通大学优异学士学位论文（TOP1%）。