1、質子交換膜燃料電池堆（以下簡稱電堆）由于啟動快、壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，尤其在汽車工業(yè)中具有廣泛的應用前景，被公認為最佳動力源。一方面，大型電堆的封裝載荷大小及其在電堆部件中的均勻化分布直接影響著電堆效率、穩(wěn)定性和使用壽命。燃料電池的端板可與緊固件配合為電堆提供適當?shù)姆庋b壓力，控制內(nèi)部接觸壓力分布，其力學特性對燃料電池整體性能有重要影響。合理的端板結構應具有足夠的強度、剛度，并且體積小、質量輕，易加工。傳統(tǒng)端板設計多基于工程經(jīng)驗，沒有使用理

2、論工具在初始設計階段保證結構最優(yōu)形狀和拓撲。本文基于拓撲優(yōu)化理論和有限元方法，考慮多個設計指標，建立了多目標燃料電池端板拓撲優(yōu)化模型，對鋼帶封裝端板進行了拓撲優(yōu)化和形狀優(yōu)化設計，得到了最佳材料分布和最優(yōu)外形。分析計算結果表明優(yōu)化后端板結構比原結構質量更輕而且在封裝后能夠提供更均勻的內(nèi)部界面接觸壓力，從而節(jié)省材料成本并提高電堆的使用壽命和整體工作性能。另一方面，電堆經(jīng)常會在封裝、運輸和服役過程中經(jīng)歷振動和沖擊，特別是被用在電動汽車上的時候

3、。這種沖擊通常會引起電堆工作性能的衰退，甚至可能引起內(nèi)部結構的破壞。本文在端板優(yōu)化的基礎上用數(shù)值模擬的方法研究了鋼帶封裝的電堆沖擊力學響應。結果表明封裝帶位置的分布對電堆的抗沖擊性能有很大的影響，同時靠近端板的電池單元相對于那些遠離端板的有更差的抗沖擊表現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)燃料電池在垂直于封裝方向的沖擊力作用下，電池單元在層間可能出現(xiàn)微小滑動，宏觀表現(xiàn)為不同程度的塌腰現(xiàn)象。通過大規(guī)模有限元計算，討論了封裝壓力與沖擊加速度以及摩擦系數(shù)對層間滑動量的影