CN114267855B - 一种提升端板间压力均匀性的方法、端板及燃料电堆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升端板间压力均匀性的方法、端板及燃料电堆，涉及燃料电池的技术领域，包括进行N次电堆建模并简化形成电堆模型，每次建模后对电堆模型进行装堆加载仿真分析，其中第一电堆模型的第一端板模型的内表面、外表面均为平面；装堆加载仿真分析后得到一内表面、外表面均向电堆外凸起的第一变形端板模型；第二端板模型由在第一端板模型的内表面上增设第二凸面形成，第二凸面选取第一变形端板的内表面或外表面，第N电堆模型的第N端板模型由在第一端板模型的内表面上增设第N凸面形成，第N凸面的高度按一定选取规则选取，通过上述方法获得的端板不仅能够保证装堆压力更均匀化，而且具有结构简单、加工成本低、装配难度低的技术效果。

Description

一种提升端板间压力均匀性的方法、端板及燃料电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种提升端板间压力均匀性的方法、端板及燃料电堆。

背景技术

燃料电池电堆是由双极板、MEA组件、密封垫片、端板等部件组成，端板分布在燃料电池堆两侧，端板之间双极板与MEA组件交替堆叠，其中双极板由两片金属单极板焊接组成，双极板两面的密封凹槽内各有一个密封垫片，端板两侧均匀分布螺纹杆、绑带或卡扣等。

端板是燃料电池堆必不可缺的部件，在组装燃料电池堆的过程中，通过对螺母施加扭矩、绑带收紧、卡扣固定等方式向燃料电池内部施加装堆压力。

在此过程中，当端板边缘施加装堆载荷后，端板将产生一定的形变，中心区域向电堆外侧鼓起，不能将装载压力均匀地引入到电池内部，中心区域的受力大于边缘受力，使电池中心区域的接触应力不足，降低燃料电池电堆的发电性能。

为了解决上述的问题，现有技术中采用的加工方法：将装配在电堆上的端板外表面加工为平面；通过吸附方法保证已加工过的端板外表面与加工平台紧密贴合；将此时端板的内表面加工为平面；从加工平台上卸下的端板的内表面即为端板与电堆内部相接触的表面。

上述方式，需要将端板装配在电堆上对端板外表面进行平面加工，平面加工后还需将端板从电堆上拆卸下来，将端面反面后采用吸附方式将端板外表面与加工平台紧密贴合，在将内表面加工位平面，上述加工方法步骤繁多复杂，操作不方便，同时由于需要在装堆后对端板进行铣削或磨削，切削液会对电堆造成污染，而电堆较为昂贵，因此，加工成本较高。更重要的是在电堆上对端板外表面进行加工的同时，端板的厚度减薄，刚度同步下降，变形量同步增加，当端板的外表面加工为平面时，其变形量必将大于初始变形量。且当端板内表面加工为平面，重新装配到电堆上以后，其刚度进一步下降，变形量进一步增加，无法满足预期效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升端板间压力均匀性的方法及端板，以解决了现有技术中在提升端板压力均匀性所采用的方法存在步骤繁多复杂，加工成本高、加工出来的端板刚度下降的技术问题。

本发明提供的一种提升端板间压力均匀性的方法，包括：

先后进行N次电堆建模，N≥3，每次电堆建模形成简化的电堆模型，其中电堆模型包括端板模型以及电芯模型，每次电堆建模中采用相同的电芯模型；

每次电堆建模后，均对电堆模型进行装堆加载仿真分析，通过仿真计算得到一个变形端板模型；

其中第一次电堆建模所形成的电堆模型为第一电堆模型，第一电堆模型的端板模型为第一端板模型，所述第一端板模型的内表面、外表面均为平面，第一电堆模型通过仿真计算得到一个内表面、外表面均向电堆外凸起的第一变形端板模型；

第二次电堆建模所形成的电堆模型为第二电堆模型，第二电堆模型的端板模型为第二端板模型，所述第二端板模型由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，所述第二端板模型的凸面选取所述第一变形端板模型的内表面或外表面，第二电堆模型通过仿真计算得到第二变形端板模型；

第三次电堆建模至第N次电堆建模所形成的电堆模型中的端板模型均由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，第三次电堆建模至第N次电堆建模的凸面按同一种选取规则选取，所述选取规则为：选取上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面、外表面中凸起度较高的表面作为本次电堆建模中的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面；或所述选取规则为：若上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面向电堆内凸，则选取凸起高度为上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度的二分之一的凸面作为本次电堆建模的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面；若上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面向电堆外凸，则选取凸起高度为上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度和上上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度的中间值的凸面，作为本次电堆建模的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面。

进一步的，所述电芯模型简化为材质与MEA组件材质相同的整体结构。

进一步的，对电堆模型进行简化的步骤还包括：选取电堆模型的二分之一进行仿真分析，其中电堆模型的二分之一包括一端板模型以及二分之一的电芯模型。

进一步的，N＝3，第三次电堆建模中的第三端板模型由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，所述第三端板模型的凸面选取第二变形端板模型的内表面、外表面中凸起度较高的表面作为第三端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面。

进一步的，还包括：在每次装堆加载仿真分析后获得变形端板模型与电芯模型之间的接触表面应力云图，并根据接触表面应力云图的结果决定是否进行再次电堆建模及仿真分析。

进一步的，还包括：每次装堆加载仿真分析后，通过使用探测工具，得到电芯模型与变形端板模型接触表面单元节点应力值，并根据接触表面单元节点应力值计算电芯模型与变形端板模型之间接触应力极差、方差的步骤。

进一步的，还包括对第一电堆模型的准确性进行验证的步骤，包括按第一变形端板模型的结构尺寸制成的端板与实际产生中的电芯进行装堆加载后，计算二者之间的实际接触应力极差，并与仿真分析计算的仿真接触应力极差比较，若二者数值接近，则验证第一电堆模型的建模、仿真分析准确。

进一步的，所述按第一变形端板模型的结构尺寸制成的端板与实际产生中的电芯进行装堆加载后，计算二者之间的实际接触应力极差的步骤包括：

将第一压力测试纸、第二压力测试纸组合叠放在按第一变形端板模型的结构尺寸制作的端板与实际生产的电芯之间，且将第一压力测试纸紧贴端板的内表面设置进行正常的装堆压力加载预设时间，然后卸载加载压力，取出第一压力测试纸与标准色对照表对照，得到每个取样点接触压力的近似值，计算实际接触压力极差。

进一步的，所述电堆为螺栓式电堆、绑带式电堆、卡扣式电堆。

本发明提供的一种端板，按上述的提升端板间压力均匀性的方法获得的第N端板模型的结构尺寸制成，所述端板加载装堆压力后，所述端板的内表面与电芯接触面成为一个较为平整的面。

本发明提供的一种燃料电堆，具有如上述的端板。

本发明提供的提升端板间压力均匀性的方法，将现有实际生产中使用的内表面、外表面均为平面的端板，做成第一端板模型，并建成包括第一端板模型的第一电堆模型，经装堆加载仿真分析获得内表面、外表面均向电堆外凸的第一变形端板模型，第一变形端板模型的内表面向电堆外凸，而并非一个较为平整的平面，反映了第一端板模型的端板间的压力并非均匀，而要保证端板与电芯之间接触应力的均匀性，需要保证端板装堆加载后，端板与电芯之间的接触表面基本为一个平面，因此，对第一端板模型进行优化时，需要在第一端板模型的内表面增设向电堆内凸的凸面来平衡装堆加载时第一端板模型向外凸的程度，而端板的内表面上的凸面需要凸出的高度多少才能保证端板装堆加载后，端板与电芯之间的接触表面基本为一个平面，需要不断地建模优化获得。在新的端板建模时，其内表面上的凸面按特定的选取规则选取，能够使得新的端板的内表面上的凸面的高度不断地逼近理想的凸面高度，从而提高端板与电芯之间压力的均匀性。

本发明提供的一种端板，按如上述的提升端板间压力均匀性的方法获得的第N端板模型的结构尺寸制成，端板加载装堆后，端板的内表面与电芯接触面成为一个较为平整的面。因此，端板的内表面与电芯的接触面之间的压力均匀性提高，同时，端板相对现有技术的端板，仅是内表面设置了凸面结构简单，没有其它辅助结构，加工成本低，而且由于电堆的装堆加载在仿真软件上验证过，因此，装配难度低。在提高端板间压力均匀性的前提下，端板的体积、质量较初始的平端板只增加了约23％。

本发明提供的一种燃料电堆，具有如上述的端板。由于该端板在施加装堆压力后，端板内侧的凸面趋于平面，提取接触表面节点压力数值并分析可知接触面压力均匀性大幅提升，从而提升了燃料电堆的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为燃料电池堆的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的简化的第一电堆模型的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的仿真分析后的第一变形端板模型-电芯模型接触表面应力云图；

图4为本发明实施例提供的第一变形端板模型的结构示意图；

图5为使按第一变形端板模型的结构尺寸做出的实际端板装堆加载的结构示意图；

图6为完成装堆加载后的第一压力测试纸显示的应力图；

图7为湿温度条件等级图；

图8为标准色对照表；

图9为浓度-压力曲线对照表；

图10为本发明实施例提供的第二端板模型的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的仿真分析后的第二变形端板模型-电芯模型接触表面应力云图；

图12为本发明实施例提供的第二变形端板模型的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的第三端板模型的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的仿真分析后的第三变形端板模型-电芯模型接触表面应力云图；

图15为本发明实施例提供的第三变形端板模型的结构示意图。

图标：1-端板；2-双极板；3-MEA组件；4-密封垫片；5-第一端板模型；6-电芯模型；7-第一变形端板模型；71-第一变形端板模型的内表面；72-第一变形端板模型的外表面；8-第一压力测试纸；9-第二压力测试纸；10-第二端板模型；101-第二端板模型的内表面；102-第二端板模型的外表面；11-第二变形端板模型；111-第二变形端板模型的内表面；112-第二变形端板模型的外表面；12-第三端板模型；121-第三端板模型的内表面；122-第三端板模型的外表面；13-第三变形端板模型；131-第三变形端板模型的内表面；132-第三变形端板模型的外表面；15-螺杆。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为燃料电池堆的结构示意图，燃料电池电堆由双极板2、MEA组件3(即膜电极组件)、密封垫片4、端板1等部件组成，其中处于两端板1内侧的双极板2、MEA组件3、密封垫片4等构成电芯。

端板材料的选择可以是常见的碳钢、增强玻纤、包塑等。

燃料电池堆包括：螺杆式电堆、绑带式电堆、卡扣式电堆等多种加载方式的电堆，而本发明实施例提供的一种提升端板间压力均匀性的方法均可以运用于以上三种形式的燃料电池堆的端板间压力均匀性提升，由于优化提升原理大致相同，在本实施例中，仅以螺栓式电堆为例进行介绍。

如图1-15所示，本发明实施例提供的一种提升端板间压力均匀性的方法，包括：

先后进行N次电堆建模，N≥3，每次电堆建模形成简化的电堆模型，其中电堆模型包括端板模型以及电芯模型，每次电堆建模中采用相同的电芯模型；

每次电堆建模后，均对电堆模型进行装堆加载仿真分析，通过仿真计算得到一个变形端板模型；

其中第一次电堆建模所形成的电堆模型为第一电堆模型，第一电堆模型的端板模型为第一端板模型，所述第一端板模型的内表面、外表面均为平面，第一电堆模型通过仿真计算得到一个内表面、外表面均向电堆外凸起的第一变形端板模型；

第二次电堆建模所形成的电堆模型为第二电堆模型，第二电堆模型的端板模型为第二端板模型，所述第二端板模型由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，所述第二端板模型的凸面选取所述第一变形端板模型的内表面或外表面，第二电堆模型通过仿真计算得到第二变形端板模型；

第三次电堆建模至第N次电堆建模所形成的电堆模型中的端板模型均由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，第三次电堆建模至第N次电堆建模的凸面按同一种选取规则选取，所述选取规则为：选取上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面、外表面中凸起度较高的表面作为本次电堆建模中的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面。其中向电堆内凸是指端板的内表面向电芯方向凸出。

将现有实际生产中使用的内表面、外表面均为平面的端板，做成第一端板模型5，并建成包括第一端板模型5的第一电堆模型；经装堆加载仿真分析获得内表面、外表面均向电堆外凸的第一变形端板模型7，第一变形端板模型的内表面71向电堆外凸，而并非一个较为平整的平面，反映了第一端板模型5的端板间的压力并非均匀，而要保证端板与电芯之间接触应力的均匀性，需要保证端板装堆加载后，端板与电芯之间的接触表面基本为一个平面，因此对第一端板模型5进行优化时，需要在第一端板模型5的内表面增设向电堆内凸的凸面来平衡装堆加载时第一端板模型5向外凸的程度，而端板的内表面上的凸面需要凸出的高度多少才能保证端板装堆加载后，变形的端板与电芯之间的接触表面基本为一个平面，需要不断地建模优化获得。在新的端板建模时，其内表面上的凸面按同一种选取规则选取：选取第N-1变形端板模型的内表面、外表面中凸起度较高的表面作为第N端板模型的第N凸面，能够使得新的端板的内表面上的凸面的高度不断地逼近理想的凸面高度，从而提高端板与电芯之间压力的均匀性。

因此，通过上述方法，对燃料电堆建模进行静应力分析，得到凸面用于进一步地燃料电堆物理模型建模、静应力优化、分析，通过一步一步建模、分析、优化的方法得的到端板可以提升其间压力的均匀性。可根据对端板间压力均匀性要求的高低决定优化的次数，即电堆建模次数。通过改变端板未受力时初始形状的方法，使其在加载装堆压力后内表面与电芯接触面成为一个较为平整的面，即对电芯提供的装堆压力更均匀化。

为了便于仿真软件进行计算结果的得出，所述电芯模型6简化为材质与MEA组件材质相同的整体结构。进一步的，对电堆模型进行简化的步骤还包括：选取电堆模型的二分之一进行仿真分析，其中电堆模型的二分之一包括一端板模型以及二分之一的电芯模型。

还包括：在每次装堆加载仿真分析后获得变形端板模型与电芯模型之间的接触表面应力云图，并根据接触表面应力云图的结果决定是否进行再次电堆建模及仿真分析。变形端板模型与电芯模型之间的接触表面应力云图能够直观的反馈接触表面应力的分布趋势以及大小，操作人员可以根据接触表面应力云图中反馈的接触表面应力的均匀性来决定是否再建模进行进一步优化。

还包括：每次装堆加载仿真分析后，通过使用探测工具，得到电芯模型与变形端板模型接触表面单元节点应力值，并根据接触表面单元节点应力值计算电芯模型与变形端板模型之间接触应力极差、方差的步骤。通过对端板模型多次优化过程中，计算出来的接触应力极差、方差的比较，能够准确地反映出端板模型与电芯模型之间的接触表面应力均匀性的提升。

还包括对第一电堆模型的准确性进行验证的步骤，包括按第一变形端板模型7的结构尺寸制成的端板与实际产生中的电芯进行装堆加载后，计算二者之间的实际接触应力极差，并与仿真分析计算的仿真接触应力极差比较，若二者数值接近，则验证第一电堆模型的建模、仿真分析准确。由于每次优化的电芯模型都相同，且每次优化的端板模型仅是内表面在不断地优化，因此，仅验证第一电堆模型的建模、仿真分析的准确性，就能确保后续第二电堆模型、第N电堆模型的建模、仿真分析的准确性。

具体的，所述按第一变形端板模型7的结构尺寸制成的端板与实际产生中的电芯进行装堆加载后，计算二者之间的实际接触应力极差的步骤包括：

将第一压力测试纸8、第二压力测试纸9组合叠放在按第一变形端板模型7的结构尺寸制作的端板与实际生产的电芯之间，且将第一压力测试纸8紧贴端板的内表面设置进行正常的装堆压力加载预设时间，然后卸载加载压力，取出第一压力测试纸8与标准色对照表对照，得到每个取样点接触压力的近似值，计算实际接触压力极差。

下面对三次建电堆模型的具体过程进行介绍：

(一)对第一电堆模型进行建模、简化、仿真分析

进行第一次电堆建模并简化形成第一电堆模型，其中第一电堆模型包括第一端板模型5以及电芯模型6，所述第一端板模型5的内表面、外表面均为平面，所述电芯模型6简化为材质与MEA组件材质相同的整体结构；

表1：电堆各个组件的材料及尺寸参数

组件名称	材料	弹性模量/MPa	泊松比	尺寸mm
					端板	AISI 304	1.9e+5	0.29	400*180*6
MEA组件	三合一	2.1e+1	0.1	380*140*0.5
					双极板	AISI 316L	1.93e+5	0.3	380*140*0.1
密封垫片	硅橡胶	C10＝1.208	C01＝-0.713	380*140*0.5*2
					螺纹杆组件	AISI 304	1.9e+5	0.29	φ8*150

对第一电堆模型进行简化；由上表1可知：MEA组件的弹性模量远小于双极板的弹性模量(四个数量级)，密封垫片的截面尺寸仅有0.5*2mm，压缩表面仅有MEA组件的约1％。故在施加装堆载荷的过程中，双极板在压缩方向上的应变远小于MEA组件的应变(约四个数量级)，忽略密封垫片的影响，上下两端板之间压缩以MEA组件的应变为主。因此将双极板、MEA组件、密封垫片简化为材质与MEA相同的新零件——电芯模型。同时，电堆上下两侧结构为对称，边界条件一致，为了简化计算，优选选取模型的1/2进行仿真，当然也可以选取模型的四分之一或八分之一进行仿真，本实施例中将以模型的二分之一进行介绍，故简化后的第一电堆模型如图2所示，简化后的第一电堆模型的组件的材料及尺寸参数如下表2：

表2：简化后第一电推模型的组件的材料及尺寸参数

组件名称	材料	弹性模量/MPa	泊松比	尺寸mm
					端板	AISI 304	1.9e+5	0.29	400*180*6
电芯	MEA	2.1e+1	0.1	380*140*60

对第一电堆模型设置边界条件，包括：

接触：端板模型与电芯模型无穿透接触，摩擦系数0.2；

载荷：在端板模型两侧均匀分布的14处螺母接触部施加2500N竖直向下的力；

单元数量：72720；

约束：电芯底部添加虚拟墙约束，无分离，无穿透，摩擦系数0.2。

以上边界条件可以根据实际需要进行设置，如单元数量，设置得越多，计算精度越高，但计算量也相应边多。

第一电堆模型建好后，需要对第一电堆模型进行分析设置，包括开启大变形、惯性消除等。

对第一电堆模型的装堆加载仿真分析通过设置边界条件完成，以实现在第一端板模型5上的各个预设位置处施加相等的装堆载荷及该载荷引起的作用在第一端板模型5内侧的反作用力，通过仿真计算得到一个内表面(即第一变形端板模型的内表面71)、外表面(即第一变形端板模型的外表面72)均向电堆外凸起的第一变形端板模型7，如图4所示；

同时，静应力分析结果如图3所示，通过观察图3可以直观地看出电芯模型6中心区域的接触压力值较小，外围及四角的接触压力值较大。使用探测工具，得到电芯模型6与第一端板接触表面单元节点应力值，计算其接触应力极差0.958MPa，方差0.031379。

为了确保第一电堆模型建模的准确性，下面对第一电堆模型的准确性进行验证。

如图5所示，裁剪出长宽略大于电芯表面尺寸的第一压力测试纸8、第二压力测试纸9，按说明要求组合叠放在端板与电芯之间，进行正常的装堆压力加载，在端板左右两侧分别装配7组螺杆15构成的螺杆组件，同时以相同的扭矩紧固螺母，即在端板左右两侧的14个通孔处向端板施加相同的夹紧力，扭矩根据成大先《机械设计手册》第五版。

T＝K*F0*d/1000其中：

T为拧紧力矩，N﹒M；

K为拧紧力矩系数，无量纲；

F0为预紧力，N；

d为螺纹公称直径，mm；

拧紧力矩系数K值可通过下表3查得：

表3：拧紧力矩系数K值表

试验所用端板表面为一般加工表面且无润滑，取K值0.18，F0＝2500N，d＝8mm，得到拧紧力矩T＝K*F0*d＝3.6N﹒M。

按压力测试纸要求，施加拧紧力矩后，保持2分钟，然后卸载拧紧力矩，取出第一压力测试纸8与标准色对照表对照，得到每个取样点接触压力的近似值，计算接触压力的极差和方差。实际的第一压力测试纸8如图6所示，整体趋势为：中间颜色较浅约为0.4MPa，外围及四角颜色颜色较深约为1.3MPa，极差约为0.9MPa，与第一端板模型5仿真结果(接触应力极差0.958MPa)趋势一致，则验证第一电堆模型的准确性较高。

进一步的，接触压力值获取具体方法：取样点颜色与图8所示的标准色对照表进行对比，得到取样点颜色浓度等级；根据测试环境温湿度条件，在图7所示的温湿度条件等级表上确定温湿度环境等级；最后在图9所示的浓度-压力曲线表中对应的温湿度条件等级的曲线上找出对应的压力值，即为取样点的接触压力。

(二)对第二电堆模型进行建模、简化、仿真分析

进行第二次电堆建模并简化形成第二电堆模型，其中第二电堆模型包括第二端板模型10以及电芯模型6，所述第二端板模型10由在第一端板模型5的内表面上增设向电堆内凸的第二凸面形成，所述第二凸面可以选取所述第一变形端板模型的内表面71，也可以选取所述第一变形端板模型的外表面72，由于第一变形端板模型的外表面72的变形程度稍大，优选第一变形端板模型的外表面72，其中第二端板模型10如图10所示(包括向电堆内凸的第二端板模型的内表面101和呈平面的第二端板模型的外表面102)；所述第二次电堆建模与第一次电堆建模的电芯模型6相同，因此，以相同的方法对由第二端板模型10、电芯模型6组成的第二电堆模型进行简化、仿真分析等。

对第二电堆模型的装堆加载仿真分析通过设置边界条件完成，以实现在第二端板模型10上的各个预设位置处施加相等的装堆载荷及该载荷引起的作用在第一端板模型5内侧的反作用力，通过仿真计算得到一个内表面(即第二变形端板模型的内表面111)向电堆内凸，外表面(即第二变形端板模型的外表面112)向电堆内凸的第二变形端板模型11，如图12所示；

其中静应力分析结果如图11所示，通过观察图11可以直观地看出第二次电堆建模的电芯模型相对于第一电堆建模的电芯模型，中心区域的接触压力值变大，外围及四角的接触压力值变小，接触表面应力均匀性有所提升。

使用探测工具，得到第二电芯模型与第二端板模型10接触表面单元节点应力值，计算其接触应力极差0.404Mpa，方差0.010009。第二电芯模型与第二端板模型10接触表面应力均匀性较第一端板模型5提升了68.1％((0.010009-0.031379)/0.031379＝0.681)。

(三)对第三电堆模型进行建模、简化、仿真分析

进行第三次电堆建模并简化形成第三电堆模型，其中第三电堆模型包括第三端板模型12以及电芯模型，所述第三端板模型12由在第一端板模型5的内表面上增设向电堆内凸的第三凸面形成，选取第二变形端板模型的内表面111、第二变形端板模型的外表面112中凸起度较高的表面作为所述第三凸面，其中第三端板模型12如图13所示(包括向电堆内微凸的第三端板模型的内表面121和向电堆外微凸的第三端板模型的外表面122)；由于所述第三次电堆建模的电芯模型与第一次电堆建模的电芯模型相同，因此，以相同的方法对由第三端板模型12、第三电芯模型组成的第二电堆模型进行简化、仿真分析等。

对第三电堆模型的装堆加载仿真分析通过设置边界条件完成，以实现在第三端板模型12上的各个预设位置处施加相等的装堆载荷及该载荷引起的作用在第三端板模型12内侧的反作用力，通过仿真计算得到一个内表面(即第三变形端板模型的内表面131)趋于平面的第三变形端板模型13，第三变形端板模型的外表面132微向电堆外凸出，如图15所示。

其中静应力分析结果如图14所示，通过观察图14可以直观地看出第三电芯模型的中心较大区域的接触压力值均匀，仅外围及四角少量区域的接触压力值稍大，接触表面应力均匀性进一步提升。

使用探测工具，得到第三电芯模型与第三端板模型12接触表面单元节点应力值，计算其接触应力极差0.246Mpa，方差0.00195。第三电芯模型与第三端板模型12接触表面应力均匀性较第一端板模型5提升了93.8％((0.00195-0.031379)/0.031379＝0.938)。

优化的次数可以根据实际需要进行选择，要求较高的场合，可以进行第四次、第五次……电堆模型建模简化、以及仿真分析。

当然作为可替换的实施方式，第三次电堆建模至第N次电堆建模所形成的电堆模型中的端板模型均由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，该凸面还可以采用二分法选取，具体所述选取规则可以为：若上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面向电堆内凸，则选取凸起高度为上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度的二分之一的凸面作为本次电堆建模的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面；若上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面向电堆外凸，则选取凸起高度为上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度和上上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度的中间值的凸面，作为本次电堆建模的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面。

由于对电堆模型建模简化，以及静应力仿真分析等均与上述实施例中的方法相同，下面仅以各次建模中，新的端板模型的内表面的选取来举例介绍。

对第一端板模型5进行静应力仿真分析得到内表面、外表面均向电堆外凸出的第一变形端板模型7，选取第一变形端板模型7的内表面或第一变形端板模型7的外表面作为第二端板模型10的向电堆内凸的内表面，优先选取第一变形端板模型7的外表面作为第二端板模型10的向电堆内凸的内表面；再对第二端板模型10进行静应力仿真分析，当第二端板模型10变形后的内表面为凸面，则将第二端板模型10的内表面的高度缩小至原来的1/2作为第三端板模型12的向电堆内凸的内表面，再对第三端板模型12进行静应力仿真分析，当第三端板模型12变形后的内表面若为凹面，则第四端模型的内表面的凸起高度设置为第二端板模型10的内表面的凸起高度和第三端板模型12的内表面的凸起高度的中间值(即为第二端板模型10的内表面的凸起高度的3/4)，若为凸面，则第四端板模型的内表面的凸起高度设置为第三端板模型12的内表面的凸起高度的1/2……每次对端板模型的设计都会使端板模型与电芯模型之间的接触应力均匀性得到提升，以此方法优化，直至得到满足设计要求之压力均匀性的端板模型。

本发明实施例提供的一种端板，按如上所述的提升端板间压力均匀性的方法获得的第N端板模型的结构尺寸制成，所述端板加载装堆压力后，所述端板的内表面与电芯接触面成为一个较为平整的面。因此，端板的内表面与电芯的接触面之间的压力均匀性提高，同时，端板相对现有技术的端板，仅是内表面设置了凸面，因此，结构简单，没有其它辅助结构，加工成本低，而且由于电堆的装堆加载在仿真软件上验证过，因此，装配难度低。在提高端板间压力均匀性的前提下，端板的体积、质量较初始的平端板只增加了约23％。

本发明实施例提供的一种燃料电堆，具有如上所述的端板。由于该端板在施加装堆压力后，端板内侧的凸面趋于平面，提取接触表面节点压力数值并分析可知接触面压力均匀性大幅提升，从而提升了燃料电堆的性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种提升端板间压力均匀性的方法，其特征在于，所述方法包括：

先后进行N次电堆建模，N≥3，每次电堆建模形成简化的电堆模型，其中电堆模型包括端板模型以及电芯模型，每次电堆建模中采用相同的电芯模型；所述电芯模型简化为材质与MEA组件材质相同的整体结构，对电堆模型进行简化的步骤还包括：选取电堆模型的二分之一进行仿真分析，其中电堆模型的二分之一包括一端板模型以及二分之一的电芯模型；

每次电堆建模后，均对电堆模型进行装堆加载仿真分析，通过仿真计算得到一个变形端板模型；

其中第一次电堆建模所形成的电堆模型为第一电堆模型，第一电堆模型的端板模型为第一端板模型，所述第一端板模型的内表面、外表面均为平面，第一电堆模型通过仿真计算得到一个内表面、外表面均向电堆外凸起的第一变形端板模型；

第二次电堆建模所形成的电堆模型为第二电堆模型，第二电堆模型的端板模型为第二端板模型，所述第二端板模型由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，所述第二端板模型的凸面选取所述第一变形端板模型的内表面或外表面，第二电堆模型通过仿真计算得到第二变形端板模型；

第三次电堆建模至第N次电堆建模所形成的电堆模型中的端板模型均由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，第三次电堆建模至第N次电堆建模的凸面按同一种选取规则选取，所述选取规则为：选取上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面、外表面中凸起度较高的表面作为本次电堆建模中的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面；或所述选取规则为：若上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面向电堆内凸，则选取凸起高度为上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度的二分之一的凸面作为本次电堆建模的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面；若上一次电堆建模中所获得的变形端板模型的内表面向电堆外凸，则选取凸起高度为上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度和上上一次电堆建模中的端板模型的内表面的凸起高度的中间值的凸面，作为本次电堆建模的端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面；

还包括：在每次装堆加载仿真分析后获得变形端板模型与电芯模型之间的接触表面应力云图，并根据接触表面应力云图的结果决定是否进行再次电堆建模及仿真分析。

2.根据权利要求1所述的提升端板间压力均匀性的方法，其特征在于，N=3，第三次电堆建模中的第三端板模型由在第一端板模型的内表面上增设向电堆内凸的凸面形成，所述第三端板模型的凸面选取第二变形端板模型的内表面、外表面中凸起度较高的表面作为第三端板模型的内表面上增设的向电堆内凸的凸面。

3.根据权利要求1所述的提升端板间压力均匀性的方法，其特征在于，所述方法还包括：每次装堆加载仿真分析后，通过使用探测工具，得到电芯模型与变形端板模型接触表面单元节点应力值，并根据接触表面单元节点应力值计算电芯模型与变形端板模型之间接触应力极差、方差的步骤。

4.根据权利要求3所述的提升端板间压力均匀性的方法，其特征在于，所述方法还包括对第一电堆模型的准确性进行验证的步骤，包括按第一变形端板模型的结构尺寸制成的端板与实际生产中的电芯进行装堆加载后，计算二者之间的实际接触应力极差，并与仿真分析计算的仿真接触应力极差比较，若二者数值接近，则验证第一电堆模型的建模、仿真分析准确。

5.根据权利要求4所述的提升端板间压力均匀性的方法，其特征在于，所述按第一变形端板模型的结构尺寸制成的端板与实际生产中的电芯进行装堆加载后，计算二者之间的实际接触应力极差的步骤包括：

将第一压力测试纸、第二压力测试纸组合叠放在按第一变形端板模型的结构尺寸制作的端板与实际生产的电芯之间，且将第一压力测试纸紧贴端板的内表面设置进行正常的装堆压力加载预设时间，然后卸载加载压力，取出第一压力测试纸与标准色对照表对照，得到每个取样点接触压力的近似值，计算实际接触压力极差。

6.根据权利要求1所述的提升端板间压力均匀性的方法，其特征在于，所述电堆为螺栓式电堆、绑带式电堆、卡扣式电堆。

7.一种端板，其特征在于，按权利要求1-6中任一项所述的提升端板间压力均匀性的方法获得的第N端板模型的结构尺寸制成，所述端板加载装堆压力后，所述端板的内表面与电芯接触面成为一个较为平整的面。

8.一种燃料电堆，其特征在于，具有如权利要求7所述的端板。

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