论文总字数：25370字

摘 要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)是一种新型的无污染的电源，其具有非常高的功率密度以及能量的转换效率，即使在温度较低的情况下也能瞬间启动。并且PEMFC在实际生产方面的应用非常广泛，既可以作为便携式电源，亦可建设成小型的非移动发电站，更可以作为汽车等的动力电源，其发展前景相当的可观。

本文采用有限元分析软件来分析冲压速度对直流型单流道双极板的成型工艺的影响。在对冲压成型方法和双极板的几何构造及力学特性有了一定程度上的理解后设计出可行的初步方案。并在学习和熟练非线性有限元分析软件（LS-DYNA）的基础上，根据实际的双极板尺寸设计建立双极板冲压的有限元模型并进行模拟分析。本文中设计并模拟了在变化的冲压速度下的双极板冲压成型过程，并根据模拟得到的结果云图分析冲压的速度对双极板冲压成型工艺的影响。本文的主要研究内容和结论如下：

（1）以PEM燃料电池为研究对象，采用有限元的方法，建立了含直流道双极板的有限元模型。

（2）对建立的有限元模型进行分析，并基于LS-DYNA软件对质子交换膜燃料电池双极板流道成型变形过程进行数值模拟分析，探讨冲压速度对双极板流道结构及燃料电池性能的影响。

（3）结果表明，较小速度波动冲压下的双极板变形较小，且双极板上的应力较小，且其分布较为均匀；速度波动较大冲压下的双极板变形较大，应力主要集中在板料的凹槽侧壁上，这可能在一定的程度上会导致板料成型的缺陷。因此，合适的冲压速度对双极板的冲压成型至关重要。

关键词：燃料电池，双极板，有限元，冲压速度，冲压成形

ABSTRACT

Proton exchange membrane fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) is a pollution-free power supply, which has a higher power density and energy conversion efficiency, even at low temperature conditions, it can be instantly activated. And the application of PEMFC is very extensive. PEMFC can be used as a portable power source, and it can also be built into small non-mobile power stations. Additionally, as power supply for cars, its prospects quite considerable.

In this paper, finite element analysis software is used to analyze the effect of punching speed on DC-type single channel bipolar plate within molding process. After having a certain degree of understanding of the geometric structure and mechanical properties of bipolar plates, the initial feasible design for bipolar plate numerical simulation is made. Based on the understanding of the non-linear finite element analysis software LS-DYNA, the finite element model of the bipolar plate for stamping is established, according to the actual size of the bipolar plate. In this paper, a kind of stamping process of bipolar plates with changed stamping speed is designed and simulated, and the results by simulation are analyzed to get the influence of the changed stamping speed on the forming process of bipolar plates. The main contents and conclusions in this paper are as follows:

(1) In PEM fuel cell as the research object, using the finite element method, including dc double plate finite element model is established.

(2) To establish finite element model is analyzed, and based on ls-dyna software for proton exchange membrane fuel cell double plate flow forming deformation process numerical simulation analysis, explore the operational speed of double plate flow channel structure and the influence of fuel cell performance.

(3) The results show that the smaller stamping speed fluctuation under the double plate deformation is small, and stress on the double plate is small, and its distribution is relatively uniform, Speed of volatile stamping double plate deformation, the stress mainly concentrated on sheet metal groove of the wall, this can lead to the defects of sheet metal forming. Therefore, appropriate stamping speed is very important to double plate stamping molding.

Keywords: PEM fuel cell; bipolar plates; finite element numerical simulation; stamping speed; stamping forming

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1课题背景 1

1.1.2本课题的应用价值 1

1.2质子交换膜燃料电池介绍 2

1.2.1质子交换膜燃料电池的发展历程 2

1.2.2质子交换膜燃料电池的结构分析 2

1.2.3 质子交换膜燃料电池的基本工作原理概述 3

1.2.4质子交换膜燃料电池的流场形状的研究 3

1.3 质子交换膜燃料电池的关键组成部分——双极板 8

1.3.1 质子交换膜燃料电池的双极板和它的发展状况 8

1.3.2 质子交换膜燃料电池的双极板的性能和它的作用 9

1.3.3 质子交换膜燃料电池的双极板的种类和它的制备过程 10

1.4 本文主要的研究内容 11

第二章 质子交换膜燃料电池双极板成型的模型建立 13

2.1 ANSYS/LS-DYNA软件的功能特点 13

2.1.1 LS-DYNA的分析流程 15

2.2 质子交换膜燃料电池双极板冲压成型的模型建立 15

2.2.1双极板冲压成型的有限元模型设计 16

2.2.2双极板冲压成型的模型的单元类型和材料模型 17

2.2.3双极板冲压成型的模型的接触定义 17

2.2.4双极板冲压成型的模型的网格划分 17

2.3本章小结 19

第三章 质子交换膜燃料电池双极板冲压成型的有限元分析 20

3.1双极板冲压成型的实际操作运行步骤 20

3.2双极板冲压成型的结果分析 21

3.2.1双极板板料的应力分析 21

3.2.1双极板板料的应变分析 22

3.2.3 双极板板料的位移分析 24

3.3本章小结 25

第四章 结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

参考文献 28

致 谢 31

第一章 绪论

1.1引言

1.1.1课题背景

燃料电池是一种非燃烧得直接以电化学反应方式将燃料和氧气中的化学能转化为电能的等温条件下的发电装置^[1]。只要能保证燃料和氧化剂的供给,燃料电池就能够实现连续的发电过程,是在发明了火力发电、水力发电以及太阳能发电和原子能发电之后的又一个具有划时代意义的发电方式，具有高效、无污染、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点。在诸多形式的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因为它的操作临界温度（80℃）非常低，功率密度高，启动快，在最近几年备受关注。因此，PEM对解决资源枯竭和环保两大当今急需解决的问题有非常重要的意义。

1.1.2本课题的应用价值

在“能源危机”越来越严重的今天，全世界的人们都普遍的达成了一项共识，那就是如果我们对此视而不见，并且继续的浪费有限的资源，破坏环境。那么我们必将遭受到自然无情的惩罚，我们从地球上得到的资源将会越来越少，人类将无法健康得生存和发展。因此如何更加有效地保护现有资源，并且合理的开发具有可持续能力的新能源，已经成为全世界广泛讨论的话题。在这样的大环境下，燃料电池以期独特的优点，越来越多的引起了人们的关注。与汽油和天然气不一样，燃料电池在运行的时候，表现得更加高效、环保、安静和稳定。它可以长期使用，作为一种低温能源装置，它可以非常及时的提供动力，不受温度的限制，能量效率也突破了60%。有了这些优点，燃料电池成为了公认的具有强大吸引力的可再生的能源装置，能够替代早已枯竭且饱受环境诟病的化石类能源。在承受着资源和环境双重压力的当下，可持续发展成为我们密切关注的主题，PEM是公认的未来最完美的无污染、效率高的发电装置。

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