摘 要

燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，它发电效率高，噪音小，对环境污染小，可靠性也高，符合当下保护环境的主题。在燃料电池的装配过程中，合理的受力分布可以增加燃料电池的使用效率，如果各组件受力不均匀的话则会导致燃料电池内部组件发生偏移，从而造成损伤，减少燃料电池使用寿命。

首先，本文应用Abaqus软件对传统长方形燃料电池组装应力进行分析，发现应力主要集中于受力螺杆对应位置上，分布的并不是很均匀，在此基础上对正方形燃料电池以及圆形燃料电池的组装应力进行分析，通过对比三种形状的燃料电池的组装应力，发现圆形端板的燃料电池受力分布更加均匀，是较优的一种端板形状选项。

其次，在保证总的组装压力不变的前提下，增加了受力螺杆的数量，通过分析发现随着螺杆数增加，端板上的应力分布会更加均匀，在此基础上将电池的组装应力分别增加到2MPa和3MPa，分析发现，压强越大，双极板和膜电极的受力越大，端板上的应力分布改变不会很明显。

最后，选择圆形燃料电池在组装应力为1MPa，螺杆数为8的条件下对多膜电极的燃料电池组装应力进行分析，发现膜电极数越多，端板的螺杆处受力越大，靠近端板的双极板受力也随之增大。本文的数值模拟研究可为燃料电池的实际组装提供理论参考。

关键词：燃料电池，组装，应力分析，受力分布

Abstract

Fuel cell is a device that converts chemical energy into electric energy. It has high power generation efficiency, low noise, low environmental pollution and high reliability. In the process of the fuel cell assembly, reasonable stress distribution can increase the using efficiency of fuel cell, if uneven components stress will cause a shift of the fuel cell components, resulting in damage, reduce the service life of the fuel cell.

First of all, this article application software of Abaqus to traditional rectangular fuel cell assembly stress analysis, found that stress concentrated on the four corners of the double plate and end plate, the distribution is not uniform, on the basis of the fuel cell for square and round the fuel cell assembly stress analysis, by comparing three kinds of shapes of the fuel cell assembly stress, found the round end plate of fuel cell stress distribution more uniform, is one of the better end plate shape options.

Secondly, on the premise of guarantee the general assembly pressure constant, increase the number of the mechanical screw, through the analysis found that with the increase of number of screw, end plate on the stress distribution is more even, on the basis of general battery assembly stress increased to 2 MPa and 3 MPa, respectively analysis found that the greater the pressure, the greater the double plate and the stress of the membrane electrode, the stress distribution on the endplate changes not obviously.

Finally, select the circle fuel cell in the assembly stress to 1 mpa, under the condition of screw for 8 to fuel cell membrane electrode assembly stress analysis, found that the more the number of membrane electrode, head of the screw in the force, the greater the double plate stress also increase near the end plate. The numerical simulation study in this paper can provide theoretical reference for fuel cell assembly in the century.

Key Words：Fuel cell, assembly, stress analysis, stress distribution

目录

第1章 绪论 5

1.1研究背景及意义 5

1.2燃料电池装配问题的发展现状 6

1.3 影响燃料电池受力问题 7

1.4 本文课题研究目标及内容 8

第2章 燃料电池形状对应力的影响 10

2.1 燃料电池组装设计方案及其几何模型 10

2.2长方形燃料电池设计与应力分析 12

2.3正方形燃料电池设计与应力分析 13

2.4圆形燃料电池的设计与应力分析 14

2.5燃料电池形状对应力影响的比较 15

第3章 燃料电池组装优化分析 16

3.1 螺杆数量对于燃料电池组装应力分布的影响 16

3.1.1 六螺杆的设计与应力分析 16

3.1.2 八螺杆的设计与应力分析 16

3.1.3螺杆数量对于应力影响的结论 17

3.2 组装力大小对燃料电池应力分布影响 17

3.2.1 端板施加1MPa时的应力分析 18

3.2.2 端板施加2MPa时的应力分析 18

3.2.3 端板施加3MPa时的应力分析 19

3.2.4 压力的大小对于应力影响的结论 19

第4章 膜电极数量对于应力的影响 20

4.1单片膜电极(MEA)电池的设计与应力分析 20

4.2两片膜电极(MEA)电池的设计与应力分析 20

4.3三片膜电极(MEA)电池的设计与应力分析 22

4.4膜电极(MEA)数量对于应力影响的结论 24

第5章 总结 25

5.1结论 25

5.2展望 26

5.3感想 26

致 谢 27

参考文献 28

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

科技的发展日益加快，环境问题也逐日凸显出来，需要一种新型且环保的能源来实现可持续发展的目标，而燃料电池就是一种好的选择，它主要以氢气、甲醇和天然气等作为燃料，能量转换效率高、启动速度快、功率范围广、噪音小、污染小而且连续工作时间长，从而成为国内外新能源发电技术研究的热点和重点。在污染较突出的汽车业中，燃料电池技术将是内燃机技术最好的替代品，是未来汽车发展的主流方向。

最早的燃料电池技术是碱性燃料电池（AFC）和磷酸型燃料电池（PAFC），这是目前已经用于商业化的两种燃料电池技术，紧随其后的是熔融碳酸型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），现在正在研究开发的则是质子交换膜燃料电池（PEMFC），也是本文所探讨的燃料电池种类，质子交换膜燃料电池比起上述四种燃料电池来说，具有更优秀的属性，比如更高的能量利用效率以及运行时更安全。而且质子交换膜燃料电池的电解质膜为固态，可以避免传统燃料电池中的电解质腐蚀问题，延长其使用寿命，减少因更换电池所造成的使用成本增加问题，因为燃料电池的成本本来就是阻碍它普及的一个重要原因，推广燃料电池技术不光要对内燃机技术下手，还有更多的辅助系统需要建设，比如加氢站，这就是一笔很大的开销^[1]。