选题背景及意义

可再生燃料电池是一种可逆电化学装置，既可以作为电解槽用于生产氢气和氧气（水电解模式），也可以作为H₂/O₂燃料电池用于生产电力和加热。可再生燃料电池对于大量能源管理应用可能很有意义。特别是，它们可以在促进可再生能源方面发挥重要作用。可再生燃料电池的流场结构是影响电池性能的一个重要因素，它的功能是引导反应气流动方向，确保反应气均匀分配到电极各处，经电极扩散层到达催化层参与电化学反应，同时排出电化学反应生成的水。而不合理的流场设计容易导致反应物的不均匀分布，或者使生成的水不能顺利排出电池，进而导致电流密度不均匀分布，产生局部过热、水淹等现象，引起电池性能衰减或失效。因此，为了保证可再生燃料电池具有较好的性能和稳定性，需要对流场进行优化设计。本毕业设计是设计传统流场，根据流场的结构参数影响进行分析，从而优化流场结构，最后得出合理的可再生燃料电池的流场设计方案。

国内外现状分析

对于可再生燃料电池（URFC），国内外的研究很多。大连化学物理研究所进行了 URFC 的应用基础研究。邵志刚等成功地将薄层亲水电极结构引入到 URFC 中 ,电极催化层使用的贵金属催化剂担量仅为0.4mg/cmsup2;,在电池的初步充放电循环中取得了令人满意的双功能性能 ,在充放电电流密度为400mA/cmsup2;时 ,URFC 的燃料电池电压和水电解电压分别为 0.7V 和1.71V。

Grigoriev等进行了与基于质子交换膜技术的单元化再生燃料电池（URFC）的开发和测试。实验中的URFC电堆由七个电化学电池（每个256 cn2有效区域）组成。电解模式中的标称电功率消耗为1.5kW，燃料电池模式下的标称电功率产生为0.5kW。在水电解过程中，在0.5A/cm²（基于水分解反应的热中性电压的85％效率）下测量的平均电池电压为1.74V，并且在燃料电池运行期间测量的平均电池电压为0.55V。初步稳定性测试令人满意。计划进一步测试以评估堆栈的长期潜力。

对于燃料电池流场设计方面的研究，国内外的研究成果也十分丰硕。近年来，周方等通过实验研究了流场结构对PEM燃料电池性能影响，从电池性能、氧气摩尔浓度的分布、PEM中水含量的分布以及电流密度的分布这几个方面进行比较。结果显示，电池性能由高到低依次为：蛇形流场和平行流场。

在国内，吴孟飞等在2012年通过对多蛇形流道几何特征的数值研究，采用微流体元件中微流道之缓冲区的设计概念来改善气体进入各流道间流量分布不均匀的情况，并从反应气体进入流场开始到排出流场结束，针对所有相关的几何设计参数进行系统地数值研究。结果表明能最大程度优化燃料电池性能的双极板流道的最佳深度为0.45mm，相对最优的流道宽度和脊背宽度是1mm左右。 季运康等在2018年通过CFD技术对四种常见的的流道设计，包括平行流道、网格流道、蛇形流道、螺旋流道，进行流场分析，比较不同流道设计的双极板的传质面积、气体分布均匀性及流道阻力。得出结果，在不考虑加工复杂的前提下，双极板为单流道时采用网格流道性能较佳，多流道时采用螺旋流道性能较佳。

在国外，Higier等通过对质子交换膜燃料电池进行研究，利用内部开发的独特技术分别测试各种蛇形流场几何形状下的陆地通道和通道下的电流密度。实验结果表明，通常浇薄的通道的流场提供了更好的整体性能。最佳流场设计高度依赖于燃料电池运行性能。Choi等对质子交换膜燃料电池的蛇形流道进行研究。蛇形流场的几何特征是提高PEMFC与压降，冷凝水排放，电池电压最大化以及整个表面区域电流密度均匀性相关的关键问题之一。实验将三种不同的通道高度和宽度与宽度为1 mm和0.34 mm的蛇形通道的基本流场设计进行比较，每个通过对温度，压力，含水量和局部电流分布的详细数值研究密度。得出通道宽度增加对除水的影响大于通道高度增加的影响。这项工作中获得的结果预计将用于开发具有子通道和旁路的有效蛇形流场通道。

2. 研究的基本内容与方案

流场的设计直接影响了可再生燃料电池的性能。本毕业设计对可再生燃料电池流场结构参数的影响进行分析，对可再生燃料电池的流场进行优化，提出合理的可再生燃料电池的流场设计方案。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；