摘 要

以清洁可再生的氢气为主要燃料的燃料电池汽车凭借着其热效率高、清洁无污染以及低噪声的优势将成为未来环保汽车的首选。燃料电池电堆用钢带进行封装,起到为内部组件提供封装力的作用,进而提高电池的综合性能。本文使用有限元方法分析了电池堆在封装力作用下内部结构的形变,并以改善电堆内部接触面受力均匀性为目标,对车用燃料电池电堆钢带封装进行优化设计。主要研究内容如下：

通过abaqus软件建立了燃料电池的封装简化模型，分析燃料电池钢带封装电堆在封装力作用下产生的应力及其形变，从而发现了电池堆内部结构出现了十分明显的不均匀应力分布。发现双极板以及膜电极层靠近受力侧边缘有明显的应力集中现象。

发现上述现象后，从钢带数目、钢带结构，对端板倒角等方面多角度分析电池封装的影响因素。通过增加钢带的数目，减少每根钢带所受载荷，避免端板与钢带接触处应力过大，改善内部受力均匀性；改变钢带的结构以及对端板倒角，以减少应力集中现象的出现，使内部结构受力更加均匀，从而提高电池性能。

关键词：燃料电池汽车；电堆；钢带封装；优化

Abstract

Today, fossil fuel resources and environmental pollution are becoming more and more serious. New energy vehicles are receiving more and more attention. Among them, fuel cell vehicles with clean, renewable hydrogen as the main fuel will become the first choice for environmentally friendly vehicles because of their high thermal efficiency, clean and pollution-free, and low noise. The fuel cell stacks are packaged with steel strips, which act as a packaging force for internal components, which in turn improves the overall performance of the battery. In this paper, the finite element method is used to analyze the deformation of the inner structure of the battery stack under the action of the packaging force, and to improve the uniformity of the inner contact surface of the stack as the goal, the optimization design of the steel belt packaging for the vehicle fuel cell stack is carried out. The main research content is as follows:
The simplified model of fuel cell packaging was established by abaqus software. The stress and deformation of the fuel cell strip package under the action of packaging force were analyzed. It was found that there was a very obvious non-uniform stress distribution in the internal structure of the battery stack. It was found that the bipolar plate and the membrane electrode layer have a significant stress concentration near the edge of the force-receiving side.
After the above phenomenon was discovered, the influence factors of the battery package were analyzed from the aspects of the number of steel strips, the structure of the steel strip, and the chamfering of the end plate. By increasing the number of steel strip, reducing the load per steel strip, avoiding excessive stress at the contact between end plate and steel strip, improving the internal force uniformity, changing the structure of the steel strip and the chamfering of the end plate, reducing the occurrence of stress concentration, making the internal structure more uniform and thus improving the performance of the battery.

Keywords: fuel cell vehicle; electric stack; strip package; optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2燃料电池的工作原理 1

1.2.1燃料电池的组成 1

1.2.2 燃料电池的封装方式 3

1.3燃料电池封装研究现状 4

1.4本文课题研究内容及目标 6

第2章 电堆封装模型及其受力分析 7

2.1 ABAQUS软件介绍 7

2.2燃料电池的封装简化模型 7

2.3封装力作用下单电池的受力分析 9

第3章 燃料电池钢带封装的优化 13

3.1钢带数目对电池封装的影响 13

3.2钢带结构对电池封装的影响 16

3.3端板进行倒角对电池封装的影响 19

3.4封装力对电池封装的影响 22

第4章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着全球能源和环境污染问题日益严重，当今世界越来越注重保护环境和提高环境效率。相应国家号召，一些高污染的行业已经在缓慢的进行转型，如传统汽车行业，为了环境保护与经济发展相结合，汽车行业必向新能源汽车方向靠拢，逐步摒弃以传统燃料提供动力的汽车。最近几年，国家发出了建设环境友好型、资源节约型社会的口号，国家对于汽车排放的要求把握的越来越严格，对于新能源汽车的研究力度逐步加大，电动汽车逐渐走入大家的生活，随着技术的不断成熟，电动汽车也得到了社会的认可。

燃料电池是一种能量转换装置，可以将储存在氢气和氧气的化学能直接转换成电能 ^[1]。燃料电池汽车使用燃料电池作为主要动力源，燃料电池汽车不经过热机过程，不受卡诺循环的限制。因此，燃料电池汽车具有内燃机汽车无法比拟的高能量转化效率和环境友好等优点，同时，仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、安全性和舒适性，被认为是21世纪首选的高效洁净的运输工具^[2]。近年来燃料电池技术取得了巨大进步，将成为未来电动汽车的一个重要分类，逐步代替传统的消耗化石燃料来提供动力的汽车。尽管燃料电池技术不是特别成熟，但是，如果能够仔细研究分析，充分利用其优点，燃料电池在汽车上的应用前景还是很广阔的^[3]。

因此，一个合理的燃料电池系统对于汽车的正常运行是必不可少的，这需要对电池的性能有很好的把握。燃料电池封装直接影响电池堆性能，不但会影响系统效率，而且常常引起可靠性较低等一系列问题^[4]。电堆封装后结构内部的力学反应是各部件相互作用的结果，同时耦合了载荷传递、物质传输、温度交换、多相流、电化学反应等因素，并且膜电极、密封层等部件性能还会随封装过程发生变化，使得封装后电堆性能的预测和评估工作非常困难，为保证电堆能够安全、稳定、高效运行，需要对封装进行优化^[5]。本文对燃料电池钢带封装的应力分布进行分析，从而提出合理的燃料电池钢带封装方案。

1.2燃料电池的工作原理

1.2.1燃料电池的组成

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能不断的转化为电能的电化学装置。燃料电池在原理和结构上和普通意义上的电池完全不同的。燃料电池的活性物质是储存在电池外部，只要持续供给燃料和氧化剂，那么就可以一直发电，因此燃料电池的性能不受容量限制^[6]；但电池的容量是有限的。一旦电池内部的活性物质被消耗光，必须进行充电后才可以二次使用。燃料电池是多个子系统组成的复杂系统，如燃料和氧化剂供应系统、水管理系统，热管理系统和控制系统等^[7]。