摘 要

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell），PEMFC具有运行温度较低、启动速率快、安装方式模块化、操作简易、使用寿命长、效率高等特点，被认为是传统发电机、各式可移动电源和各式固定电源的的最佳替代电源。

电池性能的主要影响因素就是流场的结构，流场结构的优化是近年来研究的重点。本文从三维的角度，利用建立3D模型的方法在流场中设置不同的堵块，然后运用流体力学软件Fluent对不同堵块质子交换膜燃料电池进行了三维数值模拟。各个模型的传质性能的好坏通过EMTC进行评估。根据模拟的数据来对流道结构进行相应的优化。

结果表明：（1）添加堵块以后，完整流场的压降和流速都有明显的提高，有利于沿流道方向的传质。在堵块下方Z方向速度也显著增大，便于反应气体向扩散层催化层扩散，有利于垂直流道方向的传质。（2）堵块间距减小数量增加，会使流道内压降增大，不利于流道内气体的均匀分布（3）就仿真结果分析，两个矩形堵块的单流道传质性能优于四个矩形堵块的单流道；0.7mm高度的矩形堵块单流道传质性能优于0.5mm的矩形堵块单流道优于0.3mm的矩形堵块单流道；半圆柱形堵块的单流道传质性能优于矩形堵块的单流道。

本文利用catia和gambit建立新型三维堵块流道模型，接着利用软件Fluent进行模拟仿真，以EMTC为指标对各个模型的传质性能进行分析，所得实验成果对于燃料电池流道结构的设计有重要的参考作用。

关键词：质子交换膜燃料电池；传质性能；完整流场；单流道

Abstract

质子交换膜燃料电池由于其工作温度低、启动速度快、模块式安装、操作方便、寿命长和比功率比能量高等优点，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，收到了国内外的广泛关注。

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is considered to be the best alternative power source for electric vehicles, submarines, various movable power sources, power supply grids and fixed power sources Because of its low operating temperature, fast start-up speed, modular installation, easy operation, long life and high specific power specific energy.

Flow field structure，which is the focus of research in recent years， has a significant impact on battery performance . From the three-dimensional point of view, different plugs are set up in the flow field by using the method of establishing three-dimensional model. Then, three-dimensional numerical simulation of proton exchange membrane fuel cells with different plugs is carried out by using fluid dynamics software Fluent. The mass transfer performance of each model is comprehensively analyzed according to the evaluation index of EMTC.According to the simulated data, the structure of the flow channel is optimized accordingly.

The results show that: (1) the pressure drop and velocity of the whole flow field are obviously increased after adding the plug, which is beneficial to mass transfer along the flow channel. The Z direction velocity under the plug also increases significantly, which facilitates the diffusion of reaction gas to the catalytic layer of the diffusion layer and the mass transfer in the vertical channel direction. (2) Increasing the number of plug spacing will increase the pressure drop in the channel, which is not conducive to the uniform distribution of gas in the channel. (3) The simulation results show that the mass transfer performance of single channel of two rectangular blocks is better than that of four rectangular blocks; the mass transfer performance of single channel of rectangular blocks at 0.7 mm height is better than that of single channel of rectangular blocks at 0.5 mm height is better than that of single channel of rectangular blocks at 0.3 mm. The single channel mass transfer performance of cylindrical block is better than that of rectangular block.

In this paper, CATIA and gambit are used to build a new three-dimensional plug flow channel model. Then the simulation is carried out with software Fluent. The mass transfer performance of each model is analyzed with EMTC as the index. The experimental results are of great reference value for the design of fuel cell flow channel structure.

Key words: proton exchange membrane fuel cell; mass transfer performance; complete flow field; single channel

目录

第1章 绪言 1

1.1研究背景及研究意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1质子交换膜燃料电池（PEMFC）的构造及基本原理 2

1.2.2质子交换膜燃料电池流道结构研究综述 3

1.2.3研究现状评述 4

1.3研究内容及方法 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究技术措施及方法研究的技术措施与方法如下： 4

第2章 质子交换膜燃料电池的数学模型 6

2.1基本流体力学模型 6

2.1.1质量守恒方程 6

2.1.2动量守恒方程 6

2.1.3能量守恒方程 7

2.1.4组分守恒方程 7

2.2电化学反应模型 8

2.2.1电化学方程 8

2.2.2电流守恒方程 8

2.2.3反应物消耗和水的生成 9

2.3多孔介质中气体传输模型 9

2.4本章小结 10

第3章 质子交换膜燃料电池的3D流场设计 11

3.1分析流道模型 11

3.1.1流道模型的选取 11

3.1.2模型的参数设置 11

3.2方案分析：堵块对完整流场的影响 12

3.2.1直形流道 12

3.2.2蛇形流场 14

3.3本章小结 16

第4章 质子交换膜燃料电池的30流场强化传质研究 17

4.1分析流道模型 17

4.1.1流道模型的选取 17

4.1.2模型的参数设置 17

4.2方案分析：堵块对单流道模型的影响 18

4.2.1堵块的间距对单流道模型的影响 18

4.2.2堵块高度对单流道模型的影响 20

4.2.3堵块的形状对单流道模型的影响 22

4.11基准线3相关数据曲线图 23

4.3本章小结 24

第5章 总结 25

5.1全文总结 25

5.2研究展望 25

（1）模型数量的选择 25

（2）PEMFC的电学性能试验 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪言

1.1研究背景及研究意义

1.1.1研究背景

近年来，随着人类文明的日新月异，以煤炭，石油和天然气为主的化石能源遭遇到前所未有的危机。除其储藏量不断减少外，传统能源中的化学能必须通过燃烧才能释放出来转化为所需要能源，能量的转化效率只有35%左右甚至更低，能量转换率的低下极大的造成了资源浪费；更引发人们广泛关注的是：化石能源在燃烧后产生二氧化碳气体，二氧化碳作为温室气体会致使全球变暖。这些问题引发了人们对未来社会发展能量来源和动力来源的严肃思考 ，寻找并利用新型清洁环保的能源是人类社会发展的必然趋势。

1839年，燃料电池诞世。英国人Grove发明并介绍了燃料电池的演示装置，这象征着崭新时代的开始；1889年，科学家L.Mond 和C.Langer 用铂黑作为电催化剂，以多孔的铂为电流收集装置组装出新型燃料电池；20 世纪60 年代，美国航空航天管理局（NASA）运用燃料电池作为辅助电源，促使阿波罗号飞船登月成功，为人类登月球做出了积极贡献。20世纪70年代，国内燃料电池领域取得傲人进展，燃料电池主要被用于航空航天领域；1973 年全球石油危机，世界各国均认识到发展能源的重要性，科学家进行了以净化重整气为燃料的磷酸型燃料电池（PAFC，称为第一代燃料电池）以净化煤气、天然气为燃料的熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，称为第二代燃料电池）还有固体氧化物电解质燃料电池（SOFC，称为第三代燃料电池）；20 世纪末，燃料电池研究与开发的热点转变为直接以醇类为燃料，受到了全球各国的广泛重视，并取得了显著的进展。

1.1.2研究目的及意义

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：磷酸盐燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料固体氧化物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质子交换膜燃料电池（PEMFC），与其它几种类型燃料电池相比，PEMFC具有运行温度较低、启动速率快、安装方式模块化、操作简易、使用寿命长、效率高等特点，被认为是传统发电机、各式可移动电源和各式固定电源的的最佳替代电源。本文的意义就是将质子交换膜燃料电池简化为三维单流模型，并分析堵块的间距数量、堵块的高度和堵块的形状对对流的影响，并通过计算有效传质系数（EMTC）来评估性能，对流道结构和性能进行指导优化，具有较好的创新实用性。

EMTC的数值等于传质方向气体速度与氧气浓度梯度值乘积的绝对值。

（1.1）

1.2国内外研究现状

1.2.1质子交换膜燃料电池（PEMFC）的构造及基本原理

质子交换膜燃料电池从内部到两侧的结构为：质子交换膜、催化层，气体扩散层和双极板，其结构示意图如1.1所示。

图1.1PEMFC作示意图

PEMFC的电极反应类同于酸性电解质燃料电池。首先，氧气由气体分配器传送到阴极区域，氢气传送至阳极区域，阳极催化层中氢气在催化剂的作用之下发生阳极反应：H₂→2H 2e^-；氢离子经过质子交换膜转移至阴极，电子则从外电路中传递至阴极，是外电路产生电流，在阴极催化层的作用下，氧气、氢离子和电子发生阴极反应：1/2O₂ 2H 2e^-→H₂0 热。

总反应：H₂ 1/2O₂→H₂O 电能 热

在PEMFC中，双极板具有良好导电性，实现单池之间的电联结。扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布，以便于传质。除此之外，扩散层与催化层的接触电阻要小，且要求扩散层适于担载催化层，起到支撑作用。催化层多采用Pt/C或Pt电催化剂，内部粗糙多孔，可以为反应提供足够的比表面积。质子交换膜是一个十分重要的组件，他的作用是传导氢离子并使氢气氧气分离防止爆炸；此外，质子交换膜还可以阻止气体传输，使电子只能通过外电路流动。目前主要是用的质子交换膜是全氟磺酸型质子交换膜。全氟磺酸型质子交换膜必须要有水的存在才能传导质子，其传导率与膜的含水率呈线性关系。

1.2.2质子交换膜燃料电池流道结构研究综述

对质子交换膜燃料电池性能产生影响的因素有很多，其中传质性能是设计时必须考虑的一个因素，本文的部分参考文献采用在流道中设置堵块的方法，来改善流道结构从而提升传质性能。设置堵块不仅可以改善气体对流，更有利于反应气体的扩散，对传质性能的提高有很大的意义，直接影响到能量的转化效率。前人对强化传质做了如下研究：

李云峰，才英华，张华民等人对基础流场进行改进，设计出具有不同特点的新型流场,他们通过H₂-空气PEMFC单电池进行模拟验，比较改良后新型流场与原流场之间的整体性能差异，同时侧重在进出口压差和雷诺数Re方面对蛇型流场和直流道进行探究分析。比较压差与电池排水的之间的关联性，得出在一定范围内，压差较高，性能较好的结论^[1]。

侯明，吴金锋，衣宝廉各种结构的流场板与的性能做出综述,主要涉及了点状流场板、网状流场板、多孔材料流场板及蛇型流场板，其中着重对蛇形流场板进行了介绍^[3]。

熊济时等通过改变流道的宽度、深度等结构尺寸研究其对传质性能的影响，结果表明，直流道深度为0.4mm且流道的宽度与岸宽度比值接近1：1和2:1时，电池性能最佳^[4]。

马利军通过改变流道横截面的形式、调节流场通道的深度等方法，先运用gambit建立了氢-空质子交换膜燃料电池3D数学模型，再运用流体力学软件Fluent6.3对数学模型进行仿真分析，最终得出结论：当流道截面形式为燕尾形时，流场的整体性能最佳；其他条件一定时，流道截面的深度对燃料电池的性能有重大影响^[5]。

Barreras F , Lozano A 为了研究商用质子交换膜燃料电池双极板内的流动分布，进行了实验和数值研究。采用平面激光诱导荧光（PLIF）跟踪技术，实现了平板通道内流场的可视化和速度测量。同时，对该问题进行了数值研究，模拟了与实验条件相似的情况下的流动。结果表明，双极板的设计存在缺陷。在实验可视化和数值模拟的基础上，得出了流动优先通过横向通道，导致电极表面分布不合理的结论。速度测量也证实了上述说法，即在中央区域流量几乎停滞的情况下，横向通道的流速值较高。由于双极板处的非均匀流动分布，燃料电池能量转换的性能可能较低^[22]。

Liu H C ， Yan W M ，Soong C Y等人对流场对挡板问题进行了研究，该研究的目的是探讨挡板堵塞流道在提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）反应物输运和电池性能方面的应用。由于挡板存在的堵塞效应，可以将更多的燃料气压入气体扩散层，以增强化学反应，进而提高PEMFC系统的性能。在本模型中考虑了液态水的形成对反应物输运的影响。预测结果表明，挡板的存在可以提高反应气体的局部输运、局部电流密度的产生和电池的性能。本文给出了高、低工作电压下挡板效应差异的物理解释。结果表明，在低压条件下，液态水的影响尤为显著，在建模中应予以考虑。在阴极侧较高的空气速度下，电池的性能可以得到提高，从而提高电池的性能^[24]。

1.2.3研究现状评述

综合以上研究综述，对比国内外对质子交换膜燃料电池流道结构的研究，我们可以发现：

1）国内对质子交换膜燃料电池的研究时间较晚，且主要方向在改变流道深度和宽度及其比值结构尺寸等，对在流道中设置堵块未进行深入系统的研究。

2）国内外针对质子交换膜燃料电池流道的研究方法大多是建立电化学模型，运用Fluent仿真计算得出结果。

1.3研究内容及方法

1.3.1研究内容

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：

（1）查阅关于fluent软件在燃料电池建模与仿真中的应用、燃料电池流场仿真计算研究方面的文献资料，了解国内外相关研究现状。

（2）采用三维造型软件对质子交换膜燃料电池3D流场结构进行设计。

（3）采用fluent软件建立质子交换膜燃料电池3D流场仿真模型，利用所建立的模型，模拟研究不同的3D流场参数对气体传质的影响。

1.3.2研究技术措施及方法研究的技术措施与方法如下

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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