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原文传递汽车用燃料电池电堆冲击动力学特性研究

论文题名：	汽车用燃料电池电堆冲击动力学特性研究
关键词：	电池汽车;质子交换膜燃料电池;电堆冲击;动力学特性
摘要：	质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其具有转换效率高、工作温度低、启动时间快和几乎零排放等优点，被认为是化石燃料和内燃机的替代品之一，已成为全球汽车领域关注的焦点和技术研究热点。在道路交通事故中，燃料电池电堆会遭受巨大的冲击载荷，研究表明冲击会导致电堆结构损坏、性能下降，甚至可能有因氢气泄漏而引发起火爆炸的风险。而燃料电池电堆占整车成本的比例超过40%，其在受到冲击产生安全隐患的同时也造成了巨大的经济损失。为了有效地减轻或者避免电堆在道路交通事故中遭受严重的损坏，深入开展大型氢燃料电池电堆冲击动力学特性研究，厘清整车碰撞中冲击载荷与燃料电池电堆失效的关联机制，从而为电堆防护装备的开发及氢燃料电池汽车安全相关法规的完善提供科学依据，具有重要的学术价值和实际意义。　　本文的主要研究目的是利用大型金属双极板PEMFC电堆有限元模型深入研究冲击载荷下电堆的动力学特性。开展了大型金属双极板PEMFC电堆等效建模方法研究，提出了一种新的等效建模方法。建立了短堆有限元模型，完成了短堆封装试验并验证了等效建模方法的有效性。最后建立了60层单体电池的全尺寸质子交换膜燃料电池堆模型，并运用有限元方法分析了整个电堆在冲击载荷下的动力学响应，同时利用逐步回归分析法建立了影响电堆抗冲击性能的线性回归模型，系统探究了电堆的结构参数和冲击载荷与电堆冲击动力学响应的关联机制。　　首先，基于单电池模型压缩比收敛和仿真计算耗时为目标参数，以双极板与扩散层的接触面积为定量，以金属双极板的流道肋宽和流道数量为变量，提出了一种新的等效建模方法。基于金属双极板几何参数建立了8个单电池等效有限元模型，该模型由金属双极板、气体扩散层和端板等部件组成。应用部件材料力学实验数据定义了单电池有限元模型的材料特性。对单电池模型施加一定的夹紧力，以模型压缩比收敛和仿真计算耗时为目标参数，对8个模型进行了收敛性分析，选取出了合适的建模方案。　　然后，开展了短堆封装试验并完成了短堆有限元仿真重建，验证了等效建模方法的有效性。使用万能试验机进行了短堆封装试验，并利用MATLAB自主编写程序，获取了电堆层间接触压力试验数据。建立了10层电池短堆等效模型和精细模型，并对其进行了封装及冲击仿真计算。对比分析了仿真预测的压力值与试验观测结果，9个区域的对比结果都在合理且可接受的范围内。同时以冲击后单电池X方向位移作为指标，对等效模型和精细模型进行了对比分析，验证了短堆模型及等效建模方法的有效性。与精细模型相比，等效模型只需要约2.3%的CPU时间完成计算，大大的提高的计算效率。　　最后，利用大型质子交换膜燃料电池堆有限元模型深入的研究了冲击载荷下电堆动力学特性。建立了全尺寸60层电池堆有限元模型，基于该模型构建了电堆冲击仿真矩阵，开展了42组有限元仿真计算。以电堆内部单电池横向位移和层间相对滑动作为分析指标，系统的分析了冲击载荷、层间摩擦系数及封装力对燃料电池堆冲击动力学响应的影响。同时利用逐步回归分析法建立了影响电堆抗冲击性能的线性回归模型。　　综上所述，本文建立的质子交换膜燃料电池堆模型能够有效预测电堆冲击响应，该模型是开展面向电堆冲击动力学研究的有效工具；探讨了冲击载荷和电堆结构参数与电堆冲击动力学响应的关联机制：电堆内部滑动主要由冲击载荷引起的；冲击载荷、摩擦系数和封装力对电堆冲击动力学响应有明显影响。
作者：	李盛
专业：	工程(车辆工程)
导师：	任立海;赵清江
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2022