摘 要

耐久性是质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）商业化亟需解决的主要问题之一。

本文专注于车用PEMFC质子交换膜耐久性的研究。首先，结合研究背景、目的及意义确定选题，并结合国内外文献研究方法，制定相关工作流程；其次，根据相关参数设定建立数学模型，计算求得所需参数；然后，利用建模软件对所选流道模型进行建模以及网格划分、边界设定，再利用流体仿真分析软件对其进行参数设定，并根据路况求出电池的温度、膜的湿度和膜中水含量的状态变化曲线图，之后对结果进行有限元分析，模拟质子交换膜的热应力、湿应力以及疲劳应力状态；最后，根据试验结果，进行分析比较，总结归纳，并对未来提出了展望。

研究结果表明：本文所研究的PEMFC质子交换膜状态模拟试验，可以为质子交换膜耐久性的提高，提供有利的参考；本次试验所建立的流道模型，能够较为全面的模拟真实环境；本次试验完成的温度、湿度及水含量状态模拟，能够反映出不同流道模型的性能对比；本次试验中实现的对质子交换膜应力状态的模拟分析，能够直观的反映温度、湿度变化对所带来的应力状态的影响；PEMFC质子交换膜的耐久性研究，仍需开展后续工作。

关键词：燃料电池；质子交换膜；温度；湿度；应力

Abstract

Durability is one of the main problems that need to be solved urgently in the commercialization of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC).

This paper focuses on the durability of PEMFC proton exchange membranes for automotive applications. In the first chapter, the research background, purpose and significance are combined to determine the topic, and the related work flow is formulated by combining the literature research methods at home and abroad. In the second chapter, the mathematical model is established according to the relevant parameter settings, and the required parameters are calculated. In the third chapter, the selected runner model is modeled by the modeling software, meshing and boundary setting, and then the fluid simulation analysis software is used to carry out the model. The parameters are set, and the state change curves of temperature, humidity and water content in the membrane are obtained according to the road conditions. Then the results are analyzed by finite element method to simulate the thermal stress, wet stress and fatigue stress state of the proton exchange membrane. Chapter 4, based on the test results, the analysis and comparison are made, summarized and summarized, and the future prospects are put forward.

The results show that the PEMFC proton-exchange-membrane state simulation test studied in this paper can provide beneficial reference for improving the durability of proton-exchange-membranes; the runner model established in this experiment can simulate the real environment comprehensively; the simulation of temperature, humidity and water content completed in this experiment can reflect the performance comparison of different runner models; The simulation analysis of the stress state of PEMFC proton exchange membrane realized in the second experiment can directly reflect the influence of temperature and humidity changes on the stress state; The study on the durability of PEMFC proton exchange membrane still needs further work.

Key Words：fuel cell; proton-exchange-membranes; temperature; humidity; stress

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 PEMFC质子交换膜研究 2

1.2.2 PEMFC流道建模仿真模拟研究 4

1.2.3 PEMFC试验循坏工况研究 5

1.2.4 PEMFC温度及湿度研究 6

1.2.5 PEMFC应力分析研究 7

1.3 研究内容及组织结构 7

第2章 PEM燃料电池的数学模型 9

2.1 PEM燃料电池的相关参数 9

2.2 基本流体力学模型 9

2.2.1质量守恒方程 9

2.2.2动量守恒方程 10

2.2.3能量守恒方程 10

2.2.4组分守恒方程 11

2.3 电化学反应模型 12

2.3.1电化学方程 12

2.3.2电荷守恒方程 12

2.3.3反应物消耗和水生成 12

2.4 进气量的计算 13

2.4.1阳极进气量的计算 13

2.4.2阴极进气量的计算 14

2.5 PEM燃料电池的整体设计 16

第3章 质子交换膜耐久性分析 17

3.1 模型建立、网格划分及边界设定 17

3.1.1不同流道的模型建立 17

3.1.2不同流道模型网格划分 19

3.1.3流道模型的边界设定 20

3.2温度、湿度及水含量模拟 22

3.2.1相关参数的设定及状态模拟 22

3.2.2模拟结果分析 23

3.3应力及结构强度模拟 26

3.3.1相关参数的设定及状态模拟 26

3.3.2模拟结果分析 33

第4章 结论与展望 36

4.1 总结与结论 36

4.2 对未来的展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

燃料电池不同于一般的原电池和蓄电池，它是一种新型、清洁、节能、高效的发电系统，能够将储存在电池外部的氧化物和燃料气体中的化学能，通过电化学反应转换为电能。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池中的一种，可作为航空、航运、汽车等领域的驱动源，也广泛用于一般家庭中，因此，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的研究引起了国内外学者的广泛关注^[1]。但是传统的质子交换膜，其操作温度一般低于水的沸点温度（100℃），在高于自身操作温度的环境下工作，PEMFC的各个构件例如双极板、质子交换膜会因非最佳工作环境或工作环境温度过高而出现诸多问题。因此，近年来高温质子交换膜燃料电池的研究得到了国内外学者的广泛关注。