燃料电池组装应力分析与优化开题报告
2020-04-13 03:04
1. 研究目的与意义（文献综述）
选题背景及意义
燃料电池作为一种新型的清洁发电装置，它能量转换效率高、启动速度快、工作温度低、噪音小、污染小而且连续工作时间长，是国内外新能源发电技术研究的热点和重点。质子交换膜燃料电池可广泛应用于家庭热电联供、交通运输、静态电站以及航天航海等诸多领域，尤其在便携式电源。不间断发电系统以及中小型车辆动力电源领域逐渐步入产业化推广。开发燃料电池电动汽车是解决当前能源短缺与环境污染问题的切实有效的技术途径之一
而在燃料电池堆大规模快速装配中，保证两端板受力一致难以实现，受力的不均匀性会对MEA、双极板造成伤害，同时也会影响燃料电池堆的寿命和性能。而且受力不均或发生组件之间偏移，严重会导致电堆组件破裂，阴阳极窜气，发生爆炸。相反，电池堆受力均匀则会有效改善燃料电池的利用效率，使反应发生的更为充分，平和，减少应装配不当引起的成本问题。
研究目的
本文旨在通过对燃料电池组结构进行分析，选出最佳的螺杆装配方式，使燃料电池性能最优化。主要通过关于Abaqus有限分析软件在燃料电池建模与仿真中的应用，对车用燃料电池螺杆组装的应力进行分析，对组装方式最优化，提出合理的燃料电池螺杆组装方式。
国内外研究现状
由于电流输出的有限性，燃料电池单电池很难满足实际应用需求，所以在实际应用中燃料电池几乎都是由多个单电池封装在一起形成一个大型的电堆结构，而封装之后对电堆性能的预测和评估工作会变得复杂，国内外对此也多有研究，如何有效的改善电池堆装配过程中的受力均匀问题。大连理工大学运载工程力学学部对质子交换膜燃料电池堆封装载荷问题作出了研究，从数值模拟和实验研究两方面对质子交换膜燃料电池堆封装载荷优化及其在电堆组件中均匀化分布等方面的研究进展，以期改善大型燃料电池堆的封装载荷大小及其在电堆部件中的均匀化分布程度，提高电堆效率、稳定性和使用寿命。
SelahattinCelik等研究人员通过实验发现燃料电池中最常见的问题之一是分层，从而导致电极和电解质界面的降解，这是由于在电池不同层内产生的应力造成的。目前，在一定条件下对该问题的建模是研究人员面临的主要问题之一。在固体氧化物燃料电池在宏观尺度上的数学建模中，通常假定细胞材料的结构和热物理性质是均匀的。然而，在实际操作过程中，多相多孔层所产生的应力可能与宏观上的应力大不相同。因此，需要进行微观层次的建模，以准确地估计真实的应力和燃料电池的性能。
张顺东，张强等人也通过研究一种二维对称微管燃料电池模型和构建厚度对温室残余应力的影响，表明了在燃料电池中，阳极主要受拉应力影响，而电解液和阴极主要受压应力影响。然而，通过增加其厚度与其他成分不变，可以降低元件的应力。然后采用威布尔分析方法计算阳极的失效概率，发现阳极较薄的阳极或较厚的阴极和电解液容易失效;电解质厚度对阳极失效概率的影响大于阴极;为了最大限度地提高机械性能，必须对部件的厚度进行协调。从而改善燃料电池内部的应力问题。2. 研究的基本内容与方案
基本内容
pemfc封装技术的好与坏将直接影响燃料电池的性能，本文通过使用计算机模拟手段，采用理论分析与数值模拟结合等方法，以pemfc电堆为研究对象，研究组装力与螺杆分布设置等因素对燃料电池内部组件受力的影响，并提出一种最优封装方案，来提高燃料电池的性能。主要有以下几点：
1.简要阐述pemfc的组成及工作原理，分析了pemfc封装的特点及其研究现状，并介绍pemfc的经验模型和机理模型及其相关的基本控制方程。
2.利用abaqus等软件建立pemfc组装过程的三维受力模型，然后在分析软件中，通过有限元模型模拟燃料电池工作组装过程的受力状态，分析因螺杆预紧力及其布置方式对燃料电池受力的影响。
3.以某pemfc电堆为研究对象，围绕电堆封装力学中存在的螺杆锁紧力大小、锁紧螺杆数目及位置、锁紧顺序等关键问题展开研究，分析由于燃料电池内部各组件的受力变化，引起的燃料电池内部的各组成部分发生的力学翘曲变形现象的原因，从而获得最优锁紧力、最佳螺杆布局以及最合适的螺杆锁紧顺序，并由此提出一种最优的pemfc封装方案。
拟采用的技术方案
（1）查找并阅读与本课题相关文献资料，abaqus学习资料及其在在燃料电池应用的相关资料。
3. 研究计划与安排
| 周次（时间） | 工作内容 |
| 毕业实习周（1.2～1.14） | 校外实习、搜集资料，并提交实习日记和报告 |
| 毕业设计预备周（2017.12.8～2018.1.22） | 确定指导教师人选，对为选好导师的学生进行调剂分配。确定选题志愿。校内收集资料、消化资料。 |
| 1～2（2.26～3.9） | 学生提交文献检索摘要。撰写开题报告，并完成网上提交开题报告。整理论文提纲、设计概要。 |
| 3～4(3.12～3.23) | 进行外文翻译并提交翻译译文。 |
| 5～6(3.26～4.6) | 绘图，撰写毕业设计说明书或论文 |
| 7～8(4.9～4.22) | 绘图，撰写毕业设计说明书或论文 |
| 9～11(4.23～5.11) | 完成绘图，并完成网上提交毕业设计说明书。 |
| 12(5.14～5.18) | 学生书面提交毕业设计说明书、图纸或论文，并打印成册。提交书面答辩申请，做好答辩准备 |
| 13～14(5.21～6.1) | 教师审阅毕业设计说明书或论文和图纸，审查确定学生答辩资格并予以公示 |
| 15（6.4～6.8） | 毕业设计答辩 |
4. 参考文献（12篇以上）
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项忠晓, 泮国荣, 徐国峰,等. 基于ansys的pem单电池组装应力分析[j].浙江科技学院学报,2013, 25(1):10-14.
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张伟，蒋化南，刘博，吴承伟.质子交换膜燃料电池堆封装载荷优化研究进展[j].大连理工大学运载工程力学学报，2011，15(4): 72-80
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shumao zeng,josephparbey,guangsen yu,min xu,tingshuai li,martin amdersson .thermal stressanalysis of sulfur deactivated solid oxide fuel cells[j]. journal of power sources, 2018,379 (1)134-143
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