摘 要

现实世界中的能源危机和环境问题迫使人类寻求和发展新能源，这变得日益重要。质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有高功率密度，高能量转换效率，低温启动和无污染的优势，所以在便捷式能量供给，小型固定能量站，电动交通工具和其他车辆能量供应的使用上具有广泛的前景，市场前景可观。但是，质子交换膜燃料电池的关键核心技术仍处于初步探索的状况，并没有得到很好的解决。其中包括流场的传质性能的研究，特别是阴极传质性能的改善。所以如何改善以及提高质子交换膜燃料电池阴极的传质性能将会是现在以及未来我们工程师将要攻克的难题。

本文通过CATIA建模软件画出模型，然后导入ansys mesh中划分好网格，网格划分后在Fluent模块中进行仿真计算。在质子交换膜燃料电池阴极直流道中增设船底型堵块研究船底型堵块对阴极传质性能的影响，并与阴极是传统直流道的燃料电池进行性能对比，本文主要通过仿真的方式对比两种不同的流道设计的极化曲线，净功率曲线，氧气浓度的分布，压强的变化以及反应物气体的速度变化图，给出对比结论。结果表明，相较于传统直流道设计，含有高为流道高度的70%，即0.595mm，长为3mm，宽为1mm，前仰角为45°，张角为53°，堵块首尾相距为1mm的船底型堵块的流道设计的PEM燃料电池的净功率密度最大提升值为4.7%。

关键词：PEMFC；堵块；阴极；仿真

Abstract

In the real world, energy crisis and environmental problems force people to seek and develop new energy sources, which becomes increasingly important. PEMFC is a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with the advantages of high power density, high energy conversion efficiency, low temperature startup and no pollution. Therefore, it has a wide prospect in convenient energy supply, small fixed energy stations, electric vehicles and other vehicles, with a promising market prospect. However, the key technology of PROTON exchange membrane fuel cells is still in a preliminary state of exploration and has not been well solved. It includes the study of the mass transfer performance of flow field, especially the improvement of the mass transfer performance of cathode. Therefore, how to improve and improve the mass transfer performance of proton exchange membrane fuel cell cathode will be a problem that our engineers will solve now and in the future.

In this paper, the model is drawn through CATIA modeling software, and then imported into ANSYS Mesh to divide the mesh. After the mesh is divided, the simulation calculation is carried out in Fluent module. In proton exchange membrane fuel cell cathode type added in the dc, bottom wall piece of research type bottom wall effect on the performance of cathode and mass transfer, and the cathode is a traditional dc of fuel cell performance comparison, this paper compared two kinds of different flow channel by means of simulation design of polarization curve, the net power curve, the distribution of oxygen concentration, the change of pressure and velocity profile of the reactants, the contrast conclusion is given. The results show that, compared with the traditional DC channel design, the PEM fuel cell with 70% of the flow channel height, namely 0.595mm, 3mm long, 1mm wide, 45° forward elevation, 53° width, and 1mm head to tail distance of the block, has the maximum net power density enhancement of 4.7%.

Key words: PEMFC；Wall block；The cathode; The simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容及论文组织结构 4

第2章 PEMFC工作原理和高温燃料电池数学模型 5

2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理 5

2.2 车用高温PEM燃料电池数学模型 5

2.2.1 车用高温PEM燃料电池的特点 6

2.2.2 车用高温PEM燃料电池堆的相关参数表 7

2.2.3 气平衡模型 8

2.2.4 水平衡模型 8

2.2.5 热平衡模型 9

2.3 本章小结 12

第3章PEM燃料电池的流道方案设计与分析 13

3.1 模型的建立及网格的划分 13

3.2仿真参数与进气量的计算 16

3.3 极化曲线与净功率曲线 18

3.4 压强下降与速度场 19

3.5 阴极氧气浓度分布 22

3.6 质子交换膜的含水量 25

3.7本章小结 27

第4章 结论与展望 28

4.1本文结论 28

4.2 研究展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着人类进入21世纪，以及人类生活水平和科学技术的不断提高，人类对汽车的需求不断地增加。汽车排放的污染物已经严重的污染了人类生活的环境，所以寻求新的无污染能源成为学术界探讨的焦点。为了使我们人类生存的地球村空气变得更加清新，各国提倡绿色出行以及发展新能源汽车，如电动汽车，酒精汽车，核能汽车，以及以质子交换膜燃料电池为动力来源的汽车，各国也制定了相关的政策鼓励扶持新能源汽车的发展。

氢氧燃料电池可以理解为电解水的逆反应，氢气和氧气在阴阳两极发生氧化还原反应并生成液态水。由于该反应无污染物的生成，且不受传统内燃机的卡若循环43％左右的热效率的限制。研究表明氢氧燃料电池的效率可以比较容易地达到百分之六十以上。并且燃料电池不同于一般地化学电池，燃料电池不需要进行充电过程，极大的方便了人们的出行。

未来质子交换膜燃料电池会有广泛的应用场景，是一种极具商业前景的新能源动力电池。它有许多优点，如低排放，高功率密度，高效率等，它已被广泛应用于各个领域。近年来，高性能的质子交换膜燃料电池(PEMFC)急需进一步商业化。然而,在高电流密度条件下工作的高性能质子交换膜燃料电池需要的反应物气体和产生的水会显著的增加。因此,水量过多及其造成的大量运输损失成为进一步提高质子交换膜燃料电池性能的重要限制因素。在这种情况下，需要进行适当的流道设计以有效促进反应物的供应和多余液态水的排出。车用PEM燃料电池为满足汽车的动力性，常常在高电流密度下工作，一方面电池阴极反应生成的水更多，易形成水淹；反应物气体供给跟不上，导致动力不足的情况；另一方面随着工作温度的升高，质子交换膜在高温下更容易产生脱水效应，从而阻碍质子的传递，且高温使膜中的液态水蒸发，如果在流道中发生冷凝那么会加剧水淹，从而影响阴极流道的传质性能。所以阴极流场的结构设计对车用的质子交换膜燃料电池更为重要。