1．目的及意义

选题背景及意义

由于世界性的能源危机，加之传统能源对环境造成的污染加剧，燃料电池(Fuel Cell)作为一种新的高能量密度、高能量转化率、环保型的电源装置而受到全世界的广泛关注燃料电池的种类很多，目前，燃料电池主要被分为六类：碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池。其中，采用聚合物质子交换膜作电解质的PEMFC，与其它几种类型燃料电池相比，具有工作温度低、启动速度快、模块式安装和操作方便等优点，被认为是电动车、潜艇、各种可移动电源、供电电网和固定电源等的最佳替代电源。

国内外现状分析

由于质子交换膜燃料电池高效、环保等突出优点，引起了世界各发达国家和各大公司高度重视，并投巨资发展这一技术。美国政府将其列为对美国经济发展和国家安全至为关键的27个关键技术领域之一；加拿大政府将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展；美国三大汽车公司（GM，Ford ,Chrysler）、德国的Daimler-Benz、日本的Toyota motor等汽车公司均投入巨资开发PEMFC汽车。处于领先地位的加拿大Ballard公司已经开始出售商业化的各种功率系列的PEMFC装置。在我国有中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、武汉理工大学、上海空间电源研究所、上海神力等很多单位在开展PEMFC的研究，并取得了长足进展，接近国外先进水平。就技术而言，千瓦级的PEMFC技术已基本成熟，阻碍其大规模商业化的主要原因是燃料电池的价格还远远没有达到实际应用的要求，影响燃料电池成本的两大因素是材料价格昂贵和组装工艺没有突破，例如使用贵金属铂作为催化剂；昂贵的质子交换膜及石墨双极板加工成本等，导致PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本（50$/kW）的10~20倍。PEMFC要作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，这有赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。

在PEM电池组件中，双极板尤其重要。流场形状和结构又是双极板最主要特征。质子交换膜燃料电池空气流场的合理设计可以使电流密度、气体浓度等均匀分布 ,有利于提高性能，常见的流场有： 平行流场、网格流场、平行蛇形流场、渐缩流场等。为了改善流场的结构，提高燃料电池的效率，人们对流场进行了大量的研究，不断开发新型流场，如：仿生流场，螺旋流场，3D流场等。

燃料电池技术的发展日趋成熟, 采用CFD技术建立数学模型分析燃料电池内部流体的化学反应和电化学机理 ,具有参数容易调节 、经济、直观等多种优点 ,利用数学模型优化电池的操作条件以及流场内部结构和尺寸已受到广泛关注。 PEMFC 模型的建立主要经过了以下几个阶段, Bernardi 等早期提出的一维数学模型, Fuller 等随后提出的 2D 数学模型, 近期开始研究的 3D模型。基于流体力学软件 Fluent依据流体力学和电化学反应方程 ,建立了复杂的机理模型 ,对不同横截面形状以及不同的槽深度进行了模拟的性能比较，这种3D模拟研究对流场性能的改善有什么巨大的作用。

Venkatraman通过数值分析，说明了液滴尺寸和接触角对小通道内局部压力的影响。当水在质子交换膜燃料电池的气体通道中冷凝时，这些压力和通道特性是很重要的，因此他们以雷诺数作为200 cm的流场（即200 cm）作为研究对象，研究反应气体的利用情况。采用三维计算流体动力学技术进行了分析，结果表明，在堵塞大于50%之前，压力降最小。随着阻塞的进一步增加，由于更大的液滴或疏水性的增加，压力降增加。Tiss提出了一个数值模型来研究质子交换膜燃料电池中的物质输运问题，该燃料电池的部分模块被插入到气路中，用来研究气体扩散层中反应物气体的分布。结果表明，气路中引入的部分阻块改善了PEM燃料电池的性能。为了验证数值模型的正确性，他们采用实验台架对电池的性能进行了测试。仿真结果表明，倾斜角对PEM燃料电池性能的影响是至关重要的，尤其是对于将过电位浓度降至最低。Heidary进行了在PEM燃料电池平行流场通道中使用阻塞物的实验研究。他们设置了两种阻塞配置：直列和交错，并与无阻塞的基线情况进行比较。实验结果表明，存在阻塞改善了性能，交错配置优于直列和不设置阻塞物。Cai提出了一种具有主，子通道和过渡区域的新型三位阴极流场。实验结果表明，性能评价准则和有效质量系数可以用来评价质子交换膜燃料电池的性能，因此，上述评价准则适用于流场设计的指导。
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2. 研究的基本内容与方案

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研究的基本内容

质子交换膜燃料电池的流场结构直接影响其综合性能。本毕业设计对质子交换膜燃料电池的流场进行3D分析及模拟，提出合理的3D流场设计方案。本毕业设计主要开展以下工作：