PEMFC双极板仿生流场结构水管理的研究

摘要

现实的能源危机和环境问题，使得人们对新能源的开发和需求变得越来越重要。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种新能源氢能的利用装置，以特有的优势和发展潜力，其研究和运用也越来越受到重视。如何获得高性能PEMFC，是当下对其研究的热点和难点之一。
　　影响PEMFC性能的因素有很多，水是其中影响PEMFC性能的关键因素之一。如何保持电池内水的相对平衡，即对电池实现有效的水管理，是现在PEMFC研究上的难点之一。电池的流场作为电池排水通道和气体流通通道的，其对结构对电池的水管理具有非常重要的作用。本文以PEMFC的流场结构为基础，研究和分析新型仿生流场在改善电池水管理状况上的作用。
　　本文主要是通过CFD软件对PEMFC进行工作状况下的仿真模拟，然后根据仿真数据来得到对电池的理论分析结果。在电池处于高功率输出情况下，通过分析对比仿真结果发现采用新型流道的电池，在PEMFC的I～V曲线，压强损耗，反应物与生成物的分布情况，电池的热分布情况，以及膜中含水量等特性方面的表现，相较于采用传统流道（平行流场和蛇形流场）的电池，都要更加符合高性能电池的要求。对于电池在高电流和低电流工作状况容易出现水管理的问题，本文也做了分析和讨论：在高电流的情况下，电池内有大量的水生成，相较于传统流场，仿生流场更能利于电池内水的排出；而在低电流时，电池内易出现缺水，相较于传统流场，仿生流场更能利于水气在电池内的扩散传输，使水和气在电池分布更加均匀些。
　　电池的操作条件变化时，电池的性能也会随之出现变化，而电池内部水管理状况也会出现相应的变化。在本文拟定的研究操作条件下，电池的进气湿度值越大、温度越低和压强越大仿生流场电池的输出性能就越好。这三个变量对仿生流场电池内水管理的影响是：进气的相对湿度越大，仿生流场电池膜的含水量越高，但电池流道内部的积水量也越大和催化层表面的反应物浓度值也越小；电池的操作温度越低，膜的含水量越大，也越利于阴极的水分向阳极扩散，但电池内的积水量会趋于偏大，电极上的反应物浓度值会越小；随着电池操作压强增大，膜的含水量会增加，同时，在一定程度上阻碍水从阴极扩散到阳极，而出现电池阳极内的积水越少，但阴极内的积水会越多。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 燃料电池

1.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

1.4 PEMFC水管理的概述

1.5 PEMFC中水传递过程的研究方法

1.6 本课题的研究的内容

第2章 PEMFC数学模型

2.1 基本控制方程

2.2 电化学方程

2.3 水的变迁模型

2.4 模型参数

第3章 PEMFC双极板流场

3.1 流场结构形状的研究

3.2流场的尺寸研究

3.3 仿生流场结构的设计

第4章 数值仿真与结果

4.1 计算几何模型

4.2 计算参数

4.3 仿真结果与分析

第5章 仿生流场水管理的分析与讨论

5.1 不同工况下水管理的分析比较

5.2 进气相对湿度对水管理的影响

5.3 操作温度对水管理的影响

5.4 操作压强对水管理的影响

第6章 结论与展望

6.1 本文所得结论

6.2 展望

致谢

参考文献