摘 要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)具备能量转换效率高、功率密度高、无污染和低温启动等特点,在便携式电源、电动汽车、小型固定发电站等动力电源市场具有相当可观的前景。

本文针对PEM燃料电池双极板流场结构进行研究，提出了蛇形双极板三通道结构，并基于燃料电池热力学和动力学理论，建立了包括燃料电池阳极流场、阴极流场、扩散层、质子交换膜和催化层在内的完整的有限元模型，构建了流道宽度为1.6mm,1.2mm和0.8mm三种不同尺寸的蛇形流道双极板燃料电池数值模型,并且采用Fluent这种计算流体动力学软件对PEM燃料电池进行数值模拟。研究了流道不同宽度，不同挡板分布和不同挡板高度下双极板蛇形流道的流场压力分布、氧气浓度分布、生成水含量的分布以及电池的极化性能，并且分析蛇形流场尺寸的变化对电池性能究竟有多大影响。

本文的主要研究内容和结论如下：

（1）根据燃料电池热力学和动力学理论，建立具有燃料电池五层完整结构的有限元模型，用Fluent软件对不同流道结构的PEM燃料电池进行数值模拟。

（2）研究结果表明,在PEM燃料电池的其他参数保持一致时，存在一个使燃料电池的电化学性能最佳的阴极流道宽度，这个阴极流道宽度在0.8毫米到1.0毫米之间，模拟结果与实验值吻合。

（3）在三通道双极板流道宽度保持一定时，随着流道深度从1.2 毫米到0.4 毫米慢慢变小的时候，电池的电流密度越大电池的性能越好。

1. 在PEM燃料电池的所有其他参数保持一致时，有一个流道挡板高度可以使燃料电池的电化学性能较佳。在本工作中，当数值模型为第三种模型且挡板高度为0.4mm时，燃料电池电化学性能较佳。

关键词:PEM燃料电池；数值模拟；阴极流场宽度；挡板高度；电化学性能。

ABSTRACT

Exchange Membrane Fue1 Cell Proton (PEMFC) has the advantages of high power density, high energy conversion efficiency, low temperature start-up ,no pollution and so on. The power supply of the portable power supply, the small fixed power station, the electric vehicle and other transportation vehicles, the market prospect is quite considerable.

In this paper, the structure of the bipolar plate of PEM fuel cell is studied and a new type of structure of the serpentine bipolar plate flow channel is presented. The complete finite element model including the cathode flow field, the anode flow field, the diffusion layer, the catalytic layer and the proton exchange membrane is established, which is based on the fuel cell thermodynamics and the kinetic theory. The width of the channel is 0.8mm, numerical model of 1.2mm and 1.6mm. Three different size serpentine flow channel bipolar plate for fuel cell, using computational fluid dynamics software FLUENT, the numerical simulation of the PEM fuel cell is built up. Studied different width of the bipolar plate with serpentine flow channel flow field pressure distribution, distribution of oxygen concentration and water content distribution and cell polarization properties of generation, analysis of the impact of changes in the serpentine flow field size on the performance of the battery.

The main contents and conclusions of this paper are as follows:

(1)Based on fuel cell kinetics and thermodynamics theory, including the establishment of finite element model of the fuel cell five layer structure, the numerical simulation calculation fluid dynamics software for different channel structures of PEM fuel cell.

(2) The research results show that，when a PEM fuel cell of all other parameters remain the same， there is a best cathode flow channel width on the electrochemical performance of fuel cell . Found a PEM fuel cell with good electrochemical performance as cathode flow channel width from 0.8 mm to 1.0mm.Simulation results are in good agreement with the experimental value .

(3) When the three-channel double plate groove width maintain, as the groove depth progressively hours from 1.2 mm to 1.2 mm, the battery's current density increased gradually, the performance of the battery to improve gradually.

(4) When all the other parameters of the PEM fuel cell is consistent, there is a fuel cell electrochemical performance better flow baffle height.In this work, when a numerical model for the third model and baffle height is 0.4 mm, the fuel cell electrochemical performance is better.

Keywords: PEM fuel cell; numerical simulation; cathode flow field width; flow field baffles height; electrochemical performance

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.1.1课题背景 1

1.2质子交换膜燃料电池简介 2

1.2.1质子交换膜燃料电池的发展现状 2

1.2.2质子交换膜燃料电池的结构 3

1.2.3 质子交换膜燃料电池的工作原理 4

1.2.4质子交换膜燃料电池的双极板 5

1.3 质子交换膜燃料电池双极板的研究现状 5

1.3.1 质子交换膜燃料电池流场形式的研究 5

1.3.2 质子交换膜燃料电池流场尺寸的研究 8

1.4 本文主要的研究内容 9

第二章 质子交换膜燃料电池的数学模型 10

2.1 基本假设 10

2.2 质子交换膜燃料电池的电化学模型 11

2.2.1 电流守恒方程 11

2.2.2 电化学方程 11

2.2.3 质量守恒方程 13

2.2.4 动量守恒方程 13

2.2.5 能量守恒方程 14

2.2.6 组分守恒方程 15

2.2.7传质方程 16

2.2.8水传递方程 16

2.3本章小结 18

第三章蛇形流场的数值模拟 19

3.1 PEM燃料电池几何模型 19

3.2 网格划分 21

3.2.1网格生成技术 21

3.2.2 网格划分及质量优化 22

3.3 边界条件 24

3.4数值模拟 24

3.4.1 反应气体流量的计算 24

3.4.2 fluent模拟控制 25

3.4.3 数值模拟方案的确定 26

3.5 本章小结 27

第四章 蛇形不同双极板流道宽度下燃料电池的数值模拟结果分析 28

4.1 蛇形双极板不同流道宽度下对电池性能的影响 28

4.2 蛇形双极板不同流道深度下对电池性能的影响 31

4.3蛇形双极板不同流道挡板下对电池性能的影响 32

4.4 本章小结 39

第五章 结论与展望 40

5.1 结论 40

5.2 展望 40

参考文献 41

致 谢 46

第一章 绪论

1.1引言

1.1.1课题背景

随着资源减少和环境恶化现象越来越严重，如何看待好资源与环境的关系成为当今世界的首要任务。从1830年开始,科学家开始找寻处理问题的方法，恰好在这个时候，科学家发现了燃料电池的作用。它的工作过程不需要热机过程,从而不受卡诺循环的制约,可转化的能量也比较高，一般是40%到60%。对环境基本不会产生污染,几乎不排放氮以及硫的氧化物。而且,相较于普通的发电厂，CO₂的排放量比其要减少40%以上,另外它比其他能源效率高、并且没有无污染,不但可以成为汽车的替代清洁能源,还能普遍用于航天飞机、潜艇、通信系统、家用电源,同时十分符合提供移动、分散电源和靠近终端用户的电力供应,并且能解决电网调峰问题。正是具有这些优点，很多政府和大公司都非常重视PEM燃料电池的研发。燃料电池的种类比较多,包括碱性燃料电池AFC(Alkaline Fuel cell)、磷酸燃料电池PAFC(Phosphorous Acid Fuel Cell)、熔融碳酸盐电池MCFC(Molten Carbonate Fuel cell)、直接开采天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池SOFC(solid oxide Fuel cell)、以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池DMFC(Direct Methanol Fuel cell)。现在，研究得最成熟的燃料电池技术是AFC技术。而PEMFC在1990年开始快速的成长起来,并普遍应用于机动车电源和便携式电源。随着燃料电池的商业化推进,市场应用前途十分广阔^[1-2]。有人展望,PEM燃料电池会成为继水电、核电、火电后的第四代发电方式,它必将导致21世纪新能源与环保的绿色革命^[3]。

1.1.2本课题的应用价值

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