1.1.选题背景及意义

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备高效、高功率密度、快速启动和零排放的特点，近年来已成为新能源汽车的动力装置选项之一。燃料电池的工作原理在转换存储在燃料中的化学能为电能，这个过程包含且耦合了电化学反应、流体流动、传热、多组分扩散等多种物理现象，模拟仿真方法可以将这些现象做分别研究，也可以将所有参与到的现象耦合在一起做全盘的分析。模拟仿真工具用于燃料电池研究与设计，近年来已经取得显著成效。

双极板(BPP)作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。由于金属材料具有导电导热性好、机械强度高、易加工和成本低等优点而成为应用最多的质子交换膜燃料电池双极板材料。本设计旨在通过模拟单电池由于在电堆中受到装配压力而导致的应力形变及对传输现象的影响，优化金属双极板的设计，并为金属双极板的设计和制造提供思路和依据。

1.2.研究的目的

本毕业设计结合科研项目，采用多物理场建模与仿真软件COMSOLMultiphysics建立质子交换膜燃料电池单电池模型，主旨在优化金属双极板设计：模拟单电池由于在电堆中受到装配压力而导致的应力形变，随后应力变形对单电池传输现象的影响，从而设计金属双极板的尺寸达到最佳电池性能。

1.3.国内外的研究现状分析

上世纪90年代，国外公司逐步开始研究金属双极板技术，并成功应用于燃料电池堆，取得了较大突破。90年代末期，国内也开始了对金属双极板的研究和实验，也取得了重大进步。目前，国外对金属双极板的研究主要集中在大型汽车企业，如美国的通用和日本的本田对车用燃料电池金属双极板的研究。国内的一些高校和科研机构也对金属双极板各方面进行了许多研究，如中科院大连化学物理研究所和上海交通大学。在此期间，国内外众多科研人员和学者对金属双极板的研究做了大量工作。

以往对金属双极板的研究普遍集中在开发低成本和高效率的成形方法、金属双极板表而改性以及有限元模拟金属极板冲压成形过程等方面；以往在流道设计方而的研究大多限于在几种基本流场形式的基础上开发成本低、效率高的新型结构流场以及流道尺寸对燃料电池性能的影响等方面。但金属双极板用于装配成燃料电池电堆时所体现的性能也应引起重视。例如金属双极板结构的稳定性和其与气体扩散层是否接触良好。

冲压加工的金属双极板成形后受残余应力的影响发生翘曲变形，导致金属双极板与气体扩散层接触不良而降低燃料电池性能。目前关于金属双极板刚度等力学性能的研究却极少，关于金属双极板与气体扩散层接触方面的研究也较少。因此，开发一种有利于提高金属双极板的刚度且有利于改善其与气体扩散接触的金属双极板结构是非常必要的。

在实验研究方面，装配压力对电池性能的影响最早受到了关注。这其中大部分实验研究都是通过在线测量，利用不同的技术手段得到装配压力与电池性能之间的关系。然而实验研究在技术上的限制使其很难在电池运行时进行详细的在线测量，获得各参数的分布情况。随着计算机技术的不断发展，模拟和仿真的方法已经发展成为了推动和详细分析复杂问题的工具，数学模型作为研究质子交换膜燃料电池的一种重要方法目前越来越受到广泛的重视。采用数学模型对 PEMFC中的传热、传质和电化学反应过程进行描述，旨在从理论上阐述电池内的传热、传质和电极动力学过程及其对电池性能的影响，进而为电极结构的优化，流场的选择与操作条件的筛选提供指导。通过数值模拟研究燃料电池的特性不仅可以减少实验所用的费用，而且还可以大大缩短电池的设计周期，从而降低研发成本。