【摘 要】
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氢燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料,通过催化反应将化学能转化为电能,高效发电的同时污染小、噪音低。PEMFC内部结构较为复杂,密封系统的可靠性设计直接关乎整个燃料电池能否长期稳定运行。PEMFC密封用高性能橡胶复合材料的设计制备以及密封结构的优化设计尤为重要。本文首先设计制备出一种PEMFC用密封材料,然后对橡胶密封材料的超弹性本构模型进行系统研究,最后基于有限元仿真方法并结合合适的超弹性本构模
【基金项目】
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质子交换膜燃料电池堆可靠性、耐久性及制造工程技术国家重点研发计划—— （2018YFB1502501）
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氢燃料电池（PEMFC）以氢气为燃料,通过催化反应将化学能转化为电能,高效发电的同时污染小、噪音低。PEMFC内部结构较为复杂,密封系统的可靠性设计直接关乎整个燃料电池能否长期稳定运行。PEMFC密封用高性能橡胶复合材料的设计制备以及密封结构的优化设计尤为重要。本文首先设计制备出一种PEMFC用密封材料,然后对橡胶密封材料的超弹性本构模型进行系统研究,最后基于有限元仿真方法并结合合适的超弹性本构模型,对PEMFC三维单电池密封结构进行仿真分析,本文主要研究内容及研究成果如下:（1）基于两种不同类型三元乙丙橡胶（固体EPDM和液体EPDM）并辅以必要的增强填料和助剂,制备出PEMFC橡胶密封复合材料。测试结果表明,当固体EPDM和液体EPDM的比例为95:5时,PEMFC密封材料的性能相对最优。所制备出的密封材料性能参数如下:邵A硬度57,拉伸强度5.74 MPa,撕裂强度24 k N/m,断裂伸长率371%,N2气体渗透系数为3.24×10-14 cm~3·cm/（cm~2·s·Pa）。本工作可为PEMFC用密封橡胶体系的材料配方设计提供指导。（2）PEMFC密封用橡胶复合材料力学响应表现出高度非线性。在对PEMFC密封结构进行非线性仿真分析时,合适的超弹性本构模型（又称应变能函数）是获得高精度仿真结果的关键。本章首先系统对比了1940年至2021年提出的基于唯象理论和细观力学网络理论的85类超弹性本构模型;其次,开发出可实现85类超弹性本构模型快速拟合材料参数的算法与应用程序,基于可决系数对拟合精度进行定量评估,并给出超弹性本构模型选取的若干建议;最后根据（1）中制备的PEMFC密封橡胶复合材料的应力应变曲线筛选出合适的超弹性本构模型,各模型拟合结果的可决系数均在0.9999以上,同时将其编写出可用于有限元仿真分析和结构优化时调用的UHYPER材料子程序,为PEMFC高性能密封件的仿真分析提供理论与技术支撑。（3）在确定密封材料合理可靠超弹性本构模型的基础上,构建出PEMFC单电池的三维模型。研究了三维PEMFC单电池有限元模型下,分别采用Lambert-Diani-Rey、Yamashita-Kawabata、Ogden＿N2、Neo-Hookean超弹性本构模型以及线弹性模型定义密封材料属性时,密封件Mises应力、名义应变、接触压力的分布规律。对圆角矩形、圆角梯形、双峰梯形和双峰半圆形4种截面的密封结构进行仿真分析,结果表明,圆角梯形密封结构具有一定优势。在截面底边接触长度相同的情况下,随着截面顶部接触面积减小,密封结构对应的应力应变仿真结果也减小。对优选出的圆角梯形截面密封件进行底边长度与顶部倒角尺寸优化,两者的尺寸优化区间分别为2.4～2.8 mm与0.9～1.1 mm。当底边长度为2.4 mm顶部倒角为0.9 mm时密封结构满足PEMFC密封要求,即截面上的平均接触压力不大于1.3 MPa以及密封性能参数不小于0.0727 MPa·mm。本工作可为PEMFC密封结构的设计提供指导。
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