摘 要

针对燃料电池生成水排放不及时产生的水淹现象，本设计采用在阴极流道肋部插入多孔介质的方式，形成多孔双极板，研究插入多孔介质以及多孔介质的位置、数量分布对阴极水淹现象的缓解情况，同时探究通过插入多孔介质来优化燃料电池性能及其水管理能力的方案。

本设计使用3D建模软件Gambit设计出本文所需的PEMFC模型并进行网格划分，再使用流体力学模拟仿真软件Fluent对四种不同多孔介质插入方案的燃料电池模型进行数值模拟并绘制各组分云图：方案一：将阴极侧流道分为5段，每段20mm，在第二与第四段流道肋部插入多孔介质；方案二：同样将阴极侧流道分为5段，在靠近阴极侧流道出口处的一段流道的肋部插入多孔介质；方案三：将整条阴极流道的肋部都插入多孔介质；方案四：不插入多孔介质。

分析证明多孔介质的数量与分布位置对燃料电池性能会产生影响，插入多孔介质对阴极水淹现象有一定的缓解作用阴极水，对燃料电池性能的提升大概有11.52%，对水淹现象的缓解接近35%。

关键词：质子交换膜燃料电池；多孔介质；阴极水淹；Fluent模拟仿真

Abstract

In view of the phenomenon of water flooding caused by the untimely discharge of generated water from fuel cell, this design adopts the way of inserting porous media into the rib of cathode flow channel to form porous bipolar plate, studies the alleviation of the phenomenon of cathode water flooding by inserting porous media and the location and quantity distribution of porous media, and probes into the optimization of fuel cell performance and water management ability by inserting porous media Programme.

In this design, the 3D modeling software gambit is used to design the PEMFC model required in this paper and grid it. Then, the fluid dynamics simulation software FLUENT is used to simulate the fuel cell models with four different porous media insertion schemes and draw the cloud diagrams of each componentScheme 1: the cathode side channel is divided into 5 sections, each section is 20 mm, and porous media is inserted into the ribs of the second and fourth sections of channel;Scheme 2: the cathode side channel is also divided into 5 sections, and porous media is inserted into the rib of the channel near the outlet of the cathode side channel;Scheme 3: insert the ribs of the whole cathode passage into the porous medium;Scheme 4: do not insert porous media.

The analysis shows that the number and distribution of porous media have an impact on the performance of fuel cell. The insertion of porous media can alleviate the phenomenon of cathode flooding to a certain extent. The improvement of the performance of fuel cell is about 11.52%, and the relief of flooding is nearly 35%.

Key Words：PEMFC；porous media；cathode water logging；fluent simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 新能源汽车 1

1.2 新能源汽车的分类 1

1.3 新能源汽车的研究现状 2

1.3.1燃料电池电动汽车研究现状 2

1.3.2 纯电动汽车研究现状 2

1.3.3 混合动力汽车的研究现状 3

第2章 PEMFC多孔双极板设计 4

2.1 燃料电池 4

2.1.1 燃料电池历史背景 4

2.1.2 燃料电池发展现状 4

2.1.3 燃料电池的工作原理 5

2.1.4 燃料电池的分类 5

2.2 质子交换膜燃料电池PEMFC 6

2.2.1 PEMFC发展及历史背景 6

2.2.2 PEMFC的结构 6

2.2.3 PEMFC的工作原理 7

2.3 燃料电池流场分类 8

2.3.1 蛇形流场 8

2.3.2 交指形流场 8

2.3.3 直通道流场 8

2.3.4 点状流场与网状流场 8

2.3.5 仿生型流场 9

2.4 流场设计 9

2.4.1参数选择 9

2.4.2 流道几何结构 10

2.5 多孔介质 12

2.5.1 多孔介质的机理 12

2.5.2 燃料电池中多孔介质的应用 12

2.5.3 多孔介质插入设计 13

2.6 PEMFC整体模型设计 14

2.7 本章小结 15

第3章 燃料电池建模与仿真 16

3.1 建模与仿真使用的软件 16

3.2 基本流体力学模型 16

3.2.1 质量守恒方程 16

3.2.2 动量守恒方程 16

3.2.3 能量守恒方程 16

3.2.4 组分守恒方程 17

3.3 电化学反应模型 17

3.3.1 电荷守恒方程 17

3.3.2 电化学动力学方程 18

3.4 水传输模型 19

3.3 燃料电池模型的建立 22

3.4 网格划分 24

3.5 模型各条件选取 24

3.5.1 指定边界条件类型 24

3.5.2 指定计算区域类型 25

3.6在Fluent软件中对模型进行设置 25

3.6.1 设置电化学参数 25

3.6.2 设置边界条件 25

3.6.3 其余设置 26

3.7 仿真结果与数据分析 26

3.7.1 方案一仿真结果 26

3.7.2 方案二仿真结果 27

3.7.3 方案三仿真结果 29

3.7.4 方案四仿真结果 30

3.8 本章小结 31

第4章 结果与分析 32

4.1 多孔介质对电池性能影响 32

4.2 多孔介质对电池水淹现象的改善 32

4.3 多孔介质对气体传输的影响 33

第5章 总结与展望 35

5.1 全文总结 35

5.2 研究展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 新能源汽车

近年来全球能源与环境状况逐步恶化，各国将发展重点逐步转移到新能源相关产业，我国也十分重视全球发展趋势，从十二五期间逐步实现产业化起步开始，推出了很多的优惠政策，进一步加强新能源产业在国民经济发展中的地位。在此基础上，新能源汽车进入高速发展阶段，并被提升到国家发展重要地位。近年来国内涌现了大批新能源汽车生产厂商，许多传统汽车制造公司也开始偏重于研究新能源汽车并推出许多新能源车型。目前市场上新能源汽车的种类越来越多，但很多却是空有其名号，并没有显示出新能源汽车对于目前全球能源与环境现状改善的积极作用。，无论是政府部门，还是汽车行业巨头对该系能源汽车的发展都非常重视。目前国家也出台了相关文件与政策，整顿国内汽车市场，希望探索出一条适合市场发展规律的道路。^{[1] [2]}

1.2 新能源汽车的分类

新能源汽车是指不使用传统化石燃料的新型动力汽车。在汽车上能够实现其他能量与动能转化的装置有电机、热机和燃料电池三类，新能源汽车按照驱动能源类型可分为燃料电池汽车、纯电动汽车和混合动力汽车。^{[3] [4] [5]}

燃料电池电动车汽车（FCEV）一般是利用氢气等可燃气体作为燃料，通过在燃料电池内发生的电化学反应，将氢气的化学能用电化学方式转化为电能来驱使电机运转并驱动汽车行驶，通常这类新能源汽车需配备高压电池组系统。燃料电池电动汽车的优点有：几乎零排放，燃油经济性高，无噪声，加氢速度快，发动机效率高等，他的缺点在于制造成本较高，加氢站建设困难，储氢难度大等，由于加氢站建设极少，目前燃料电池电动汽车多应用于城市公交。