力-温-湿多场耦合对PEMFC性能损耗影响的机理研究

Current research to reduce the performance loss of the fuel cell stack mostly ignored the influence of assembly force involved in stack integrated design, or considered its influence, but did not consider the limitation as temperature and relative humidity during fuel cell operation, which lead to a too simplified model, and the prediction of fuel cell performance is not practical and accurate. This study focus on the formation mechanism of influencing factors, which concern to fuel cell performance loss. Such as assembly force, temperature and relative humidity lead to the deformation of components caused by the contact mechanics, thermal and humidity swelling, and its effects on contact pressure and contact resistance. Establish the constitutive equations between these factors and find common variable, derive method to solve coupled equations, give the finite element formation influenced by these multi-fields coupled factors. Use finite element method to discrete equations and numerical simulation to solve multi-fields coupled equations, realize the simulation of fuel cell performance affecting by multi-fields coupled factors , draw out relevant numerical results. Optimize the relevant factors and structure, lower fuel cell performance loss and compare it with experimental validation. Research findings are helpful to reveal the law of fuel cell stack performance loss affecting by the factors and provide theoretical foundation and technical supports for improving the performance and the integrated design of fuel cell stack.

目前降低燃料电池堆性能损耗的研究大多忽略了电堆集成设计中涉及的紧固力的影响；或考虑其影响，但没有注意燃料电池实际运行过程中的反应物温度、相对湿度的条件限制，导致模型简化过于简单，对性能损耗预测的实用性和准确性差。本项目从电堆紧固集成设计对燃料电池性能损耗影响的力-温-湿耦合问题出发，根据紧固力、温度和湿度耦合作用导致的燃料电池组件的力结构变形、受热以及吸水膨胀变形，以及膨胀变形又对接触压力和接触电阻的影响规律，深入研究紧固力-温度-湿度耦合作用机理。通过建立多场耦合的本构方程，找出公共变量，推导耦合方程的求解方法，给出有限元表达形式。采用有限元方法离散，运用计算流体力学和有限元方法联合模拟仿真，实现紧固力与温度、湿度相关条件参数的合理匹配，优化电堆骨架结构，保证燃料电池性能最优。成果将有助于揭示燃料电池性能损耗的影响规律，为提高燃料电池堆的集成设计提供理论基础和技术支撑。

项目以质子交换膜燃料电池这种典型层叠结构的集成封装设计为研究对象，对燃料电池的封装力-工作温度-工作湿度的多场耦合作用机理、性能参数优化、封装设计、端板优化和压力分布均匀性优化方法进行了系统研究。主要成果包括：（1）建立了三维力-温-湿多场耦合燃料电池性能有效预测模型，并进行实验验证，误差小于3%，达到国内先进水平；揭示了燃料电池内部工作状态参数分布及耦合机理，分析了燃料电池外部操作参数：工作温度、空气化学计量比、空气湿度、空气压力及封装载荷对燃料电池性能影响及影响因子大小，优化后燃料电池性能提升10%，单片电池电压达到0.713 V，接近日本丰田燃料电池的国际先进水平。（2）在以螺杆的燃料电池第一代封装设计的燃料电池进行了系统实验，提出了“面加载”的钢带捆扎第二代燃料电池封装设计；建立了端板力学分析模型，对设计参数（端板尺寸、形状及钢带数量、位置）进行优化，通过数学解析方法，采用以燃料电池上下端板变形最小为目标的形状优化算法，确定优化后的端板骨架尺寸和形状。（3）通过有限元方法建立燃料电池电堆的二维和三维模型，从电池平面和厚度两个维度研究了封装设计中端板和捆扎钢带的结构设计参数，从而解决燃料电池模型网格数量过大无法计算的问题。研究了金属双极板和石墨双极板燃料电池不同数量单电池封装下的接触压力分布规律，确定了相同封装位移载荷下的燃料电池单电池数量和内部接触应力的拟合关系曲线。获得燃料电池单电池数量增加时，内部接触压力逐渐减小的分布规律。首次提出以燃料电池单电池间设计不同厚度密封胶的方法，改善了大尺寸燃料电池厚度方向的接触压力不均匀现象和在相同封装位移载荷下不同单电池数量的燃料电池电堆接触压力均匀性差的问题。项目研究成果可应用于燃料电池中，有利于提高燃料电池的电化学性能，同时提升燃料电池效率。