螺栓數(shù)目及位置對PEM燃料電池接觸壓力的影響
發(fā)布時間：2020-12-26 11:19
質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane,PEM)燃料電池中雙極板與氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL)之間的接觸壓力及其分布均勻性對電池性能至關重要,基于有限元方法建立了一個完整的單電池有限元模型,模擬了6種不同的螺栓裝配方式下GDL與雙極板之間的接觸壓力及其分布,研究了螺栓數(shù)目及位置分布對PEM燃料電池接觸壓力的影響。有限元模擬結果表明:在相同的總螺栓載荷下,螺栓數(shù)目及位置分布不同均對GDL與雙極板之間的接觸壓力及其均勻性有明顯的影響,螺栓數(shù)目增加,接觸壓力隨之增大,接觸壓力均勻性也隨之提升,在本研究工作中第5種螺栓裝配情況下接觸壓力均勻性最好。
【文章來源】：電源技術. 2020年09期 北大核心
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
圖２所示，其中墊片是不可壓縮材料，故?
２５個單元。??１．３定義相互作用??組裝后的ＰＥＭ燃料電池各構件間面面接觸，且不會相對??滑移。故采用小滑移定義ＰＥＭ燃料電池模型的接觸對，法向??采用硬接觸，切向設置為粗糧。??１．４載荷施加及邊界條件??通過施加螺栓扭矩來模擬ＰＥＭ燃料電池封裝情況。為了??研究螺栓數(shù)目及位置分布對ＰＥＭ燃料電池接觸壓力的影響，??本文研究了?６種不同的裝配方式（即６種不同的螺栓數(shù)目及其??位置分布情況），在所有的組裝方式下總螺栓扭矩保持一致。第??１種情況：螺栓數(shù)為４個，螺栓位置分布如圖３（ａ）所示，每個螺??栓扭矩均為６?Ｎ＊ｍ；第２種情況：螺栓數(shù)為４個，螺栓位置分??布如圖３（ｂ）所示，每個螺栓扭矩均為６?Ｎ＊ｍ；第３種情況：螺??檢數(shù)為６個，螺栓位置分布如圖３（ｃ）所示，每個螺栓扭矩均為??４?Ｎ＊ｍ；第４種情況：螺栓數(shù)為６個，螺栓位置分布如圖３（ｄ）所??示，每個螺栓扭矩均為４?Ｎ＊ｍ；第５種情況：螺栓數(shù)為８個，螺??栓位置分布如圖３（ｅ）所示，每個螺栓扭矩均為３?Ｎ＿ｍ；第６種??情況：螺栓數(shù)為８個，螺栓位置分布如圖３（ｆ）所示，每個螺栓扭??圖１?ＰＥＭ燃料電池幾何模型??表２?構件的材料屬性??構件??彈性模量??Ｅ／ＭＰａ，??泊松比ｐ??線膨脹系數(shù)??材料或型號??端板??２１０?０００??０．３??２３??Ｑ２３５??電流收集器??１０６?０００??０．３２４??１８??黃銅??雙極板??１３?０００??０．２１??５．５??石墨??密封墊片??５．７??０．４９５??７７??硅橡膠??ＧＤＬ??６．３??０．０９??—０．８??ＴＧＰ－Ｈ－０６０??質(zhì)子交換膜??１８．５??０．３３??１２
?線膨脹系數(shù)??材料或型號??端板??２１０?０００??０．３??２３??Ｑ２３５??電流收集器??１０６?０００??０．３２４??１８??黃銅??雙極板??１３?０００??０．２１??５．５??石墨??密封墊片??５．７??０．４９５??７７??硅橡膠??ＧＤＬ??６．３??０．０９??—０．８??ＴＧＰ－Ｈ－０６０??質(zhì)子交換膜??１８．５??０．３３??１２３??Ｎａｆｉｏｎ２１２??螺栓??２１０?０００??０．３??２３??Ｑ２３５??１．２網(wǎng)格劃分??模型網(wǎng)格劃分如圖２所示，其中墊片是不可壓縮材料，故??用雜交單元，即Ｃ３Ｄ８Ｈ單元，其余部分采用單元類型是??圖２?ＰＥＭＦＣ模型網(wǎng)格劃分圖??矩均為３?Ｎ＊ｍ。定義螺栓扭矩時將螺栓扭矩Ｔ轉換為螺栓載??荷Ｆ，其轉換關系如式（１）：??Ｔ?＝?ｋｘＦｘｄ?（１）??式中：Ｔ為螺栓扭矩；Ｆ為螺栓載荷；ｆｃ為經(jīng)驗系數(shù)，為０．２；?ｄ為??螺栓直徑，為８?ｍｍ。邊界條件設置全部螺栓端部固定，燃料電??池反應溫度為８０°Ｃ?，故施加恒定的８０°Ｃ的溫度常??｜?傘??十?十??寸??ａ．?４螺栓Ｉ分布??１１４??〇?〇??ｂ．?４螺栓ＩＩ分布??１１４??ｃ．?６螺栓Ｉ分布?ｅ＿?８螺栓Ｉ分布??圖３?螺栓分布圖??１．５實驗驗證??為了驗證有限元模型的可靠性，利用ＦＵＪＩ公司的壓力傳??感膜來測定ＰＥＭ燃料電池雙極板與ＧＤＬ之間的接觸壓力。??將雙片低壓（ＬＷ）型壓力傳感膜放人雙極板與ＧＤＬ之間，按照??８螺栓第Ｉ分布的裝配方式裝配，然后將組裝好的電池放人恒??溫箱保溫１０?ｍｉｎ，恒溫箱的溫度設為８（ＴＣ。燃料電池冷卻到??２
【參考文獻】：
期刊論文
[1]質(zhì)子交換膜燃料電池不同流場接觸壓力有限元分析[J]. 周崇波,方醒,阮炯明,楊慶華. 熱力發(fā)電. 2019(03)
[2]鎖緊螺栓數(shù)目及位置對PEMFC雙極板變形影響[J]. 艾有俊,陳濤,杜斌. 機械設計與制造. 2015(02)
[3]PEM燃料電池組裝接觸壓力的有限元分析[J]. 劉永昌,胡學家,談金祝,張曉維. 電源技術. 2014(10)
本文編號：2939597
【文章來源】：電源技術. 2020年09期 北大核心
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
圖２所示，其中墊片是不可壓縮材料，故?
２５個單元。??１．３定義相互作用??組裝后的ＰＥＭ燃料電池各構件間面面接觸，且不會相對??滑移。故采用小滑移定義ＰＥＭ燃料電池模型的接觸對，法向??采用硬接觸，切向設置為粗糧。??１．４載荷施加及邊界條件??通過施加螺栓扭矩來模擬ＰＥＭ燃料電池封裝情況。為了??研究螺栓數(shù)目及位置分布對ＰＥＭ燃料電池接觸壓力的影響，??本文研究了?６種不同的裝配方式（即６種不同的螺栓數(shù)目及其??位置分布情況），在所有的組裝方式下總螺栓扭矩保持一致。第??１種情況：螺栓數(shù)為４個，螺栓位置分布如圖３（ａ）所示，每個螺??栓扭矩均為６?Ｎ＊ｍ；第２種情況：螺栓數(shù)為４個，螺栓位置分??布如圖３（ｂ）所示，每個螺栓扭矩均為６?Ｎ＊ｍ；第３種情況：螺??檢數(shù)為６個，螺栓位置分布如圖３（ｃ）所示，每個螺栓扭矩均為??４?Ｎ＊ｍ；第４種情況：螺栓數(shù)為６個，螺栓位置分布如圖３（ｄ）所??示，每個螺栓扭矩均為４?Ｎ＊ｍ；第５種情況：螺栓數(shù)為８個，螺??栓位置分布如圖３（ｅ）所示，每個螺栓扭矩均為３?Ｎ＿ｍ；第６種??情況：螺栓數(shù)為８個，螺栓位置分布如圖３（ｆ）所示，每個螺栓扭??圖１?ＰＥＭ燃料電池幾何模型??表２?構件的材料屬性??構件??彈性模量??Ｅ／ＭＰａ，??泊松比ｐ??線膨脹系數(shù)??材料或型號??端板??２１０?０００??０．３??２３??Ｑ２３５??電流收集器??１０６?０００??０．３２４??１８??黃銅??雙極板??１３?０００??０．２１??５．５??石墨??密封墊片??５．７??０．４９５??７７??硅橡膠??ＧＤＬ??６．３??０．０９??—０．８??ＴＧＰ－Ｈ－０６０??質(zhì)子交換膜??１８．５??０．３３??１２
?線膨脹系數(shù)??材料或型號??端板??２１０?０００??０．３??２３??Ｑ２３５??電流收集器??１０６?０００??０．３２４??１８??黃銅??雙極板??１３?０００??０．２１??５．５??石墨??密封墊片??５．７??０．４９５??７７??硅橡膠??ＧＤＬ??６．３??０．０９??—０．８??ＴＧＰ－Ｈ－０６０??質(zhì)子交換膜??１８．５??０．３３??１２３??Ｎａｆｉｏｎ２１２??螺栓??２１０?０００??０．３??２３??Ｑ２３５??１．２網(wǎng)格劃分??模型網(wǎng)格劃分如圖２所示，其中墊片是不可壓縮材料，故??用雜交單元，即Ｃ３Ｄ８Ｈ單元，其余部分采用單元類型是??圖２?ＰＥＭＦＣ模型網(wǎng)格劃分圖??矩均為３?Ｎ＊ｍ。定義螺栓扭矩時將螺栓扭矩Ｔ轉換為螺栓載??荷Ｆ，其轉換關系如式（１）：??Ｔ?＝?ｋｘＦｘｄ?（１）??式中：Ｔ為螺栓扭矩；Ｆ為螺栓載荷；ｆｃ為經(jīng)驗系數(shù)，為０．２；?ｄ為??螺栓直徑，為８?ｍｍ。邊界條件設置全部螺栓端部固定，燃料電??池反應溫度為８０°Ｃ?，故施加恒定的８０°Ｃ的溫度常??｜?傘??十?十??寸??ａ．?４螺栓Ｉ分布??１１４??〇?〇??ｂ．?４螺栓ＩＩ分布??１１４??ｃ．?６螺栓Ｉ分布?ｅ＿?８螺栓Ｉ分布??圖３?螺栓分布圖??１．５實驗驗證??為了驗證有限元模型的可靠性，利用ＦＵＪＩ公司的壓力傳??感膜來測定ＰＥＭ燃料電池雙極板與ＧＤＬ之間的接觸壓力。??將雙片低壓（ＬＷ）型壓力傳感膜放人雙極板與ＧＤＬ之間，按照??８螺栓第Ｉ分布的裝配方式裝配，然后將組裝好的電池放人恒??溫箱保溫１０?ｍｉｎ，恒溫箱的溫度設為８（ＴＣ。燃料電池冷卻到??２
【參考文獻】：
期刊論文
[1]質(zhì)子交換膜燃料電池不同流場接觸壓力有限元分析[J]. 周崇波,方醒,阮炯明,楊慶華. 熱力發(fā)電. 2019(03)
[2]鎖緊螺栓數(shù)目及位置對PEMFC雙極板變形影響[J]. 艾有俊,陳濤,杜斌. 機械設計與制造. 2015(02)
[3]PEM燃料電池組裝接觸壓力的有限元分析[J]. 劉永昌,胡學家,談金祝,張曉維. 電源技術. 2014(10)
本文編號：2939597
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