摘 要

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）作为新能源开发与研究的重要部分，成为了近年的研发热门。对于PEM燃料电池来说，水在质子交换膜上的分布特点在一定意义上可以决定质子交换膜燃料电池的效率高低，因此良好的流道结构可以及时将反应生成的水排出，从而大大提高质子交换膜燃料电池的性能。如何对质子交换膜燃料电池的流道进行优化设计，也相应地成为了一个新的研究方向。

本文主要研究了质子交换膜燃料电池阴极流场的优化设计。首先，分析了阴极采用怎样的流道结构可以提高燃料电池的排水能力，从而来提高电池的整体性能。阴极优化的流场结构是基于直流道而言，是对直流道进行的优化改进；然后通过计算流体力学软件Gambit与Fluent对两种流道结构的燃料电池进行了建模与仿真，得到了两种流道结构燃料电池的性能曲线；其次，又通过具体的燃料电池的性能实验与模拟仿真的结果进行了对比分析，以此来提高仿真结果的可靠性；最后，根据两种流道燃料电池模拟仿真的结果，对燃料电池各组分的分布特点进行对比分析，提出了对质子交换膜燃料电池阴极流场优化设计方向研究的展望。

研究成果表明：本文所设计的阴极设置梯形堵块的流道结构是基于直流道燃料电池的优化方案。仿真结果显示此种阴极优化流场可以适当提高燃料电池性能，但提升的程度有限，可以为PEMFC流场优化设计提供参考；本文所用的对质子交换膜燃料电池的建模与仿真，能够实现对质子交换膜燃料电池的性能模拟；对特定的质子交换膜燃料电池的性能实验，又重新进行了仿真验证。结果表示两者误差在一定范围内，从而进一步增加了此种模拟仿真方法的可靠性。对仿真结果中燃料电池各气体成分的具体分析，又有助于了解燃料电池内部反应过程。

关键词：质子交换膜燃料电池；排水能力；流道结构；性能仿真

Abstract

As an important part of new energy development and research, proton exchange membrane fuel cells have become a hot research and development in recent years. For proton exchange membrane fuel cells, the distribution of water on the proton exchange membrane can determine the efficiency of the proton exchange membrane fuel cell in a certain sense. Therefore, a good flow channel structure can discharge the water generated by the reaction in time, thereby greatly improving the performance of the proton exchange membrane fuel cell. How to optimize the design of the flow channel of the proton exchange membrane fuel cell has become a new research direction.

This paper mainly studies the optimal design of cathode flow field in proton exchange membrane fuel cell. Firstly, it is analyzed how the flow channel structure of the cathode can improve the drainage capacity of the fuel cell, thereby improving the overall performance of the battery. The cathode-optimized flow field structure is based on the straight channel, which is the optimization and improvement of the straight channel. Then, the computational fluid dynamics software Gambit and Fluent modeled and simulated the fuel cell of two kinds of flow channel structures, and obtained the performance curves of two kinds of flow channel structure fuel cells. Secondly, the performance of the specific fuel cell performance test and simulation results are compared and analyzed to improve the reliability of the simulation results. Finally, based on the simulation results of two kinds of flow cell fuel cells, the distribution characteristics of each component of the fuel cell are compared and analyzed, and the prospect of the research on the optimization design of the cathode flow field of the proton exchange membrane fuel cell is proposed.

The research results show that the flow channel structure of the cathode set trapezoidal block is designed based on the optimization scheme of the straight channel fuel cell. The simulation results show that the cathode optimized flow field can improve the performance of fuel cell appropriately, but the improvement degree is limited, which can provide reference for the optimization design of PEMFC flow field. The model and Simulation of proton exchange membrane fuel cell used in this paper can simulate the performance of proton exchange membrane fuel cell. The performance test of a specific proton exchange membrane fuel cell was re-validated by simulation. The results show that the error between the two methods is within a certain range, which further increases the reliability of the simulation method. The detailed analysis of the gas composition of fuel cell in the simulation results is helpful to understand the internal reaction process of fuel cell.

Key words: PEMFC；drainage capacity；runner structure；performance simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的及意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 PEM燃料电池基本构造与原理 3

1.2.2 PEMFC流道结构研究综述 7

1.2.3 PEMFC综合性能研究综述 8

1.2.4研究现状评估 10

1.3 研究内容与方法 10

1.3.1研究内容 10

1.3.2研究方法 10

1.3.3技术路线 11

第2章 PEM燃料电池的数学模型 13

2.1 质子交换膜燃料电池模型假设 13

2.2 基本流体力学模型 13

2.2.1 质量守恒方程 13

2.2.2 动量守恒方程 14

2.2.3 能量守恒方程 15

2.2.4 组分守恒方程 15

2.3 电化学反应模型 16

2.3.1 电流守恒方程 16

2.3.2 反应气体消耗与水生成 16

2.4 多孔介质中气体的传输模型 16

第3章 PEM燃料电池性能模拟与仿真验证 18

3.1 PEM燃料电池仿真方法验证 18

3.2 质子交换膜燃料电池性能模拟与仿真 20

3.2.1 质子交换膜燃料电池流道结构设计与分析 20

3.2.2 仿真软件功能介绍 21

3.2.3 燃料电池Gambit建模 22

3.2.4 燃料电池模型的网格划分 23

3.2.5 燃料电池性能Fluent仿真 24

3.2.6 仿真结果分析 28

第4章 总结与展望 32

4.1 全文总结 32

4.2 未来工作展望 33

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

能源是现代经济的主要依靠，促进着当今社会大步向前^[1]。除此之外，能源还是我们人类维持正常活动所赖以生存的物质基础，促进着全世界各个方面的发展和经济的稳步增长。良好的清洁性能源的发现以及先进技术的运用，可以快速地推动人类社会的进步。现如今，世界的环境污染问题也迫在眉睫，各个国家和地区对于清洁性能源的发展及应用也越来越重视，发现并应用清洁性能源是如今人类社会进步与发展所必须要遵循的途径。

随着全世界经济与社会的快速发展，传统化石燃料的开采与利用所导致的相关问题也渐渐显示出来，而这些问题总结起来也主要来自于两个方面，其一是世界上的能源以化石燃料为主的结构特征，从而使得化石能源消耗殆尽的日子离我们越来越近。除此之外，传统的化石燃料中的化学能只能经过燃烧才能释放出来转换成我们所需要的能量，这其中能量的转化效率仅有30%左右，低下的能量转化效率导致了很大程度上的能源的浪费；另一方面，以传统的化石燃料作为主要的能源输出方式还会引起很大程度上的废水和废气等各方面污染，对环境产生了难以修复的破坏。

在对新型清洁性能源的开发与利用过程中，氢能在新能源方面有着不可估量的地位与作用。氢能是一种绿色、高效的二次能源，虽然现如今氢能还未被大范围开发与普及，但是它却拥有着传统化石能源所完全不具备的优良特点。氢能不仅来源广泛、能量利用率高，还是清洁无污染的优质能源。因而，氢能可以迅速成为解决未来人类社会传统化石能源问题的绝佳途径，可以有效的解决传统化石能源所造成的两大问题。随着世界各地对氢能越来越重视，也使得氢能的开发利用技术的发展很快，氢能已成为世界能源体系中的重要组成部分。在现如今，氢能的发展十分迅速，而氢气最高效的利用方式就是通过质子交换膜燃料电池将氢能直接转化为电能^[2]。燃料电池与我们平日里所见到的电池不同，它是一种可以实现不同能量之间相互转化的装置。根据工作时的电化学原理，燃料电池能够将储藏在反应气体中的化学能进行能量转换使之转化成电能。由此可知燃料电池在工作时，所进行的过程就是电化学反应，通过电化学反应的氧化还原作用，将会产生自由电子，电子的定向移动可以产生外电路中的电流。燃料电池相比于一般电池，它的优越性还体现于可以不用在反应的氢气和氧气使用完毕后进行充电，而仅需给燃料电池提供相应的反应物，它就能持续工作。质子交换膜燃料电池在现如今的燃料电池中的应用最为广泛，但其在使用寿命、性能以及成本等方面还存在缺陷，因此还未实现商业化^[3]。和传统的化石燃料相比，燃料电池具有无可比拟的优势：

（1）燃料电池因为自身的结特点，使其拥有传统内燃机系统难以实现的轻量化和小型化特点。除此之外，燃料电池还能完成传统内燃机难以实现的较高的热效率，如此一来也说明了在使用同样多热值燃料的情况下，燃料电池将可以创造出比传统内燃机更多的能量，通过这点特性能够达到节约能源的目的。

（2）除了可以减少能源消耗外，燃料电池还拥有着清洁无污染的特点。传统的内燃机纵使在国六的排放标准之下，也仍旧会释放出大量的二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物以及其它的一些颗粒物，严重影响着环境。然而燃料电池所消耗的氢气和氧气在燃烧之后便只生成水，这也表示燃料电池具备着内燃机无法匹及的环保优势，不但燃料自身环保可再生，而且排放的物质也是没有任何污染。

（3）燃料电池与一般的电池不同，在它的内在构造中并不具备任何蓄电池。我们目前所使用的蓄电池大多都含有多种污染性的物质，使用报废后就会造成严重的环境问题。然而燃料电池便不会有此问题，在它的结构之中是用金属和复合材料制造而成，在其内部并不含由类似的化学物质，使用报废之后自身能够做到回收再利用。

（4）再者就是燃料电池汽车与现在的一些电动汽车相比，补充能源的耗时较短。目前的一些新能源汽车还存在着充电用时较长、一次性的行驶路程较短的不足，然而燃料电池汽车就可以完全避免这些问题，它的充能方式和传统的燃油车一样，仅需几分钟就能够加满一整罐的燃料气体。

质子交换膜燃料电池在众多燃料电池中是应用最为广泛的一种，高效、环保是其最为突出的优点，对环境起到良好的保护作用，不仅如此，质子交换膜燃料电池还被广泛的应用在汽车上，使得PEMFC汽车具备无腐蚀、效率高、节约能源以及比功率大等众多特点，引发了全世界各个国家和各大企业的高度重视，因此也成为近些年来国内外对于新能源方面研究的一大热点。由于世界各个国家对于环境问题的重视，并斥巨资发展这一技术，因此在该方向的研究也取得了一些具有一定意义的研究进展。

1.1.2 研究目的及意义

随着世界各国对于质子交换膜燃料电池的研究越来越深入，在PEM燃料电池的关键性技术方面也取得了一定的进展，但在对于质子交换膜燃料电池研究中，还存在着排水方面的问题。对于PEM燃料电池来说，水可以算是影响质子交换膜燃料电池性能方面的一个重要因素，水在质子交换膜上的分布特点以及在流道中的及时排出在一定意义上可以决定质子交换膜燃料电池的效率高低，因此通过合适、良好的水管理可以有效提高PEM燃料电池的性能。PEM燃料电池在工作过程中，氢气会在电池阳极发生相应的氧化反应，氢离子可以顺利穿过质子交换膜，从而在电池的阴极与氧气发生还原反应会生成水，反应生成的水会在流道中形成积累，造成膜电极的腐蚀，在很大程度上会影响燃料电池的输出性能以及使用寿命。因此，良好的流道结构会有良好的排水性能，可以及时将积累的水排水，从而大大提高质子交换膜燃料电池的性能。因此，本次研究通过相关数据与资料的收集、整理，构建质子交换膜燃料电池的数学模型。并且分别设计直流道与在直流道中设置堵块两种流道结构，比较两种流道结构的燃料电池性能差异。然后通过Gambit软件对两种流道结构的燃料电池进行建模，用Fluent软件对两种流道结构进行模拟，分析在直流道中添加堵块对改善电池的整体性能的影响程度。最后结合具体实验重复模拟仿真的过程，以此来增加仿真的可靠性，对燃料电池结构的优化设计给出合理化的建议，这是本次研究的目的所在。

由于全世界对燃料电池相关研究的高度重视，国内外许多学者对此发展的研究也逐渐走向成熟。本次对车用质子交换膜燃料电池阴极碳腐蚀的研究意义主要集中在以下两个方面：①从新能源汽车发展角度进行研究，探讨燃料电池电动汽车中质子交换膜燃料电池的性能及寿命问题，为新能源汽车的研究发展提供了参考价值。②从科学研究角度进行探讨，本论文构建质子交换膜燃料电池的数学模型，并且对质子交换膜燃料电池做不同流场电池的性能的模拟仿真，通过对质子交换膜燃料电池性能模拟与仿真验证的结果对比分析，可以对PEMFC流道结构优化设计的相关研究有着重要的指导意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PEM燃料电池基本构造与原理

PEM燃料电池主要由膜电极（MEA）组件、双极板以及其它的附件（集流、散热、密封集流装置等）三部分组成，其中膜电极组件的是由气体扩散层、质子交换膜和催化层构成。各部分的构成如下：

（1）双极板与流道

PEM燃料电池的双极板是整个电池十分重要的组成部分，它在电池的质量占比可以达到80%甚至更高，不仅如此，双极板的好坏不仅在很大程度上会影响质子交换膜燃料电池的整体性能，还会关系到整个燃料电池的成本多少、效率高低等。双极板通常由石墨或金属板制造而成，在其上面设有导气槽，可以经过流场将氢气和氧气输入电池。

其中双极板的作用主要体现在:首先双极板可以将各个单体的燃料电池进行串联并且收集之间的电流；其次双极板能够将整个电池中的氧化剂与还原剂分离开来，然后把反应物均匀分配到电极上的各个地方，除此之外，双极板还可以对燃料电池在整个工作过程中产生的水分和热量进行管理。质子交换膜燃料电池组在通常情况下需要进行组装，根据双极板的主要作用以及商业化的应用价值双极板材料需要满足以下条件：

①在PEM燃料电池中，各单电池之间需要经过双极板连接。在电池工作时，要求双极板本身的电阻要小，这样可以很好的收集、输送电流，从而确保燃料电池一般对外输出的电压，因此双极板需要电阻小、导电性能好。

②在电池工作过程中，希望电池产生的热量可以很快扩散并保持电池工作温度合适、比较平衡，因此要求双极板具备良好的导热性。

③双极板应让的较少的氢气通过，从而确保反应的气体不会出现混合而发生意外。

④由于PEM燃料电池在工作时外界环境为酸性，因此要求电池双极板有一定的耐腐蚀性能。

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