燃料电池是将氢气与氧气的化学能直接转化为电能的电化学发电装置,反应产物只生成水。在能源危机和环境污染日益严重的今天,燃料电池作为高效清洁、环境友好的能源设备受到了广泛关注。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)由于可在室温快速启动、无电解液流失、寿命长以及能量转化效率高等特点,成为当前研究最多、应用最广的燃料电池类型之一,在航空航天、移动电源、新能源汽车以及电站等领域有着良好的应用前景。实际应用中的电堆多为大型电堆结构,燃料电池装配过程中各组件的接触压力分布对接触电阻有重要影响。过小的装配压力导致接触电阻过大,造成密封效果不好、反应气体泄漏等后果。过大的装配压力导致组件孔隙率降低而失效。另外燃料电池的服役环境较为恶劣,要经受严峻温度和机械条件的考验。一方面,由于电堆是层叠串联式结构,各组件材料的热膨胀系数不同,当环境温度发生变化时,材料层的热不匹配导致各部件承受热应力的冲击,最终导致燃料电池可靠性降低。另一方面,汽车行驶过程中,燃料电池受到各种形式的机械振动和冲击,产生较大的动态弯曲变形从而引起交变应力,最终导致燃料电池发生结构破坏。本文以质子交换膜燃料电池电堆为主要研究对象,采用数值模拟的方法,对电堆装配过程中的力学问题、电堆的热振性能进行了详细地分析,研究内容如下:(1)研究电堆装配过程中电堆结构的力学问题。运用有限元软件ABAQUS对电堆进行数值模拟,建立了包括端板、双极板、膜电极和螺栓的三维电堆模型,通过施加不同大小的螺栓预紧力、不同螺栓在端板分布位置以及不同电堆级数来分析对燃料电池电堆结构的影响并确定最佳装配形式。(2)研究电堆随机振动对燃料电池电堆结构的影响。对电堆以随机振动信号施加城市拥堵、城市畅通和高速公路三种不同速度水平的路况,得到电堆在不同车速路况下电堆模型与路面激励的共振频率以及电堆各部件的应力和位移结果。(3)研究热振环境下对燃料电池电堆结构的影响。对电堆施加城市畅通随机振动路况以及在-10℃、20℃和40℃不同温度条件下对电堆结构的影响,得到电堆在不同温度作用下电堆模型与路面激励的共振频率以及电堆各部件的应力和位移结果。