质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效清洁的新型能源,具有工作温度低、启动速率快、反应效率高等优点,在汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景。封装载荷、端板结构等均会对电池堆内部应力分布产生影响,从而影响电池堆的性能。本文以螺栓封装的质子交换膜燃料电池堆等效刚度模型为基础,优化和改善螺栓布局形式。以结构轻量化和电池堆内部接触压力均匀化为优化目标,对电池堆端板开展了拓扑优化设计。同时通过优化螺栓载荷分布,提升了电池堆内部接触压力的均匀性。首先,基于燃料电池堆密封性能、气体扩散层(GDL)机械强度以及接触电阻等的性能与强度要求,研究了燃料电池堆的封装载荷范围,给出了封装载荷设计方法;通过对不同封装载荷下电池堆性能研究,绘制出功率密度曲线,发现随着封装载荷的不断增大,电池堆极限功率密度呈先升高后降低的趋势,存在一个最优封装载荷。为了达到轻量化与提升电池堆内部接触压力均匀性的目标,对端板开展双目标拓扑优化设计。初步优化发现当前电池堆螺栓位置均匀布局的局限性,进而开展螺栓位置布局设计(每个螺栓载荷相同),并依据不同螺栓布局下端板的弯曲变形情况,找到合适的螺栓布局方式。然后,以优化后的螺栓位置布局为基础开展端板的拓扑优化设计,与原始端板设计相对比,发现优化后端板减重效果显著,进气端板与盲端端板减重效果分别达到24.8%与26.6%,且对电池堆内部接触压力分布均匀性有一定的提升。为了进一步提高电池堆内部接触压力均匀性,对电池堆螺栓封装载荷分布进行优化设计(每个螺栓载荷可能不同)。保持原始螺栓布局形式不变,首先重新设计了密封区域的等效弹性模量,对螺栓载荷分布进行优化设计,得到最优螺栓载荷布局方式,电池堆内部接触应力不均匀性得到了明显改善,接触面上应力均匀程度较优化前提升了59.4%,电池堆密封性能也有大幅提升。