加长加宽的PEMFC电堆应力分布一致性仿真与优化

摘要

质子交换膜燃料电池可以通过扩大电堆的活性区域反应面积来获得更高的功率，但电堆反应面积扩大后，容易导致膜电极应力分布的不均匀性增加，从而引起燃料电池电化学性能的下降.为此，本研究设计了4种不同结构尺寸的燃料电池电堆，结合等效刚度模型法和有限元软件，分析了扩大反应面积的电堆结构对膜电极应力分布均匀性的影响，并进一步优化电堆内钢带的安装位置，以提升电堆内部接触压力分布均匀性.研究结果表明，膜电极接触压力分布的均匀性对反应区域宽度的变化较为敏感，当活性区域尺寸加宽，电堆内部活性区域的平均应力标准差增加了23.2%.而当活性区域加长，或同时加长和加宽时，相应增加一根捆扎钢带使电堆内部活性区域的平均应力标准差分别减小了8.6%和8.7%，表明适当增加捆扎钢带的数量可以提高电堆内部接触压力分布的均匀性.此外，钢带位置优化结果显示，电堆外侧钢带越靠近端板侧面时，电堆内部活性区域的应力分布越均匀.

关键词

质子交换膜燃料电池 / 钢带捆扎 / 电堆放大 / 膜电极 / 压力分布一致性

基金资助

上海市自然科学基金资助项目（22ZR1466800）; 上海市科技创新行动计划项目（20dz1205500）