质子交换膜燃料电池的流场结构优化与新型流场研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优点，所以是目前很有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源，市场前景相当可观。而目前的燃料电池还处于研究阶段，它的一些机理和关键问题没有解决，流场就是其中一个长期研究，但是仍然没有最终解决的方面。本文将针对燃料电池流场，通过计算流体软件Fluent来进行模拟流场结构及其尺寸的变化对电池性能的影响。首先，描述质子交换膜燃料电池的三维数学模型，包括了流动、传质、电化学反应和水传递等模型。然后建立几

2、种不同流道深度的单流道燃料电池几何模型，运用Fluent软件的P酬模块分别对其进行模拟分析，研究流道深度对流场压力分布、浓度分布以及电池性能的影响情况，得出流道深度为0．4mm左右时最佳的结论：接着，在固定流道高度为0．4mm的前提下，建立不同流道宽度和岸的宽度的比值的单流道燃料电池几何模型，分别对其进行数值模拟。结果表明，燃料电池岸的宽度不应该大于流道的宽度：综合考虑电池性能和流场的压降等因素时，尺寸比为1：1：l是燃料电池比较理想的流场尺寸比。然后，在固定流道高度为0．4mm、流道宽度为0．8ram的前提下，建立5种不同截面形状直流道的质子交换膜燃料电池模型，分别计算其电池性能，结果表

3、明非变截面流道的燃料电池性能相著很小，而变截面流道的燃料电池性能相对要好得多。最后，设计了具有分形特性的蜂窝状流场质子交换膜燃料电池模型，对其模拟后的结果表明，空隙率为50％时，蜂窝状流场质子交换膜燃料电池性能最好。当空隙率相等时，蜂窝状流场质子交换膜燃料电池性能随着分形层数的增加而逐渐变好。但是随着分形层数的增加，其压降和加工的复杂度也极大的增加，因此对于不同的流场板而言，它都有一个适合自己的最佳分形层数，并非分形层数越大越好。本文主要从计算机模拟的角度，来优化设计质子交换膜燃料电池的流场。分别从流场结构形式、结构尺寸和采用新型流场等方面进行优化。对于质子交换膜燃料电池的设计制造具有一定

4、的指导意义。关键词：质子交换膜；燃料电池；流场：模拟，Fluent‘本论文研究得到高等学校博士学科点专项科研基金项目“质子交换膜燃料电池的流动与传热的多学科真及优化研究”(No20030497012)，武汉理工大学材料复合新技术国家萝点实验室2004年度重直摹金项目“燃料电池计算机模拟”，武汉新能源有限公司科研开发项目“质子交换膜绺料电池计算机辅助设计”(No．06·10-02)的资助。Ⅱ武汉理工大学硕士学位论文AbstractProtonexchangemembranefuelcell口EMFC)hasalotofvirtues，suchasllighpowerdensity,hi曲一e

5、nergyefficiency,low-temperatureoperation，faststart-upandzero-emission,SOitisthemostprobabletoapplyinautomobile，bus，electricaleqmpmem，portablepowerandstationaryproduct，andithasaverygoodforeground．Buttheactualfuelcellisintheresearchstage，andsomeofcriticalquestionsaren’tdissolved．耵legasflowfieldisone

6、ofthem,andthispaperwillaimatthegasflowfieldofthefuelcell．Thethree—dimensionalmodeloffuelcellwasstudiedinthisdissertation．includingthefluidflowing，gasdiffusion,electrochemistryreaction，watertransferred，andSOon．Itwillbehelpfultothelatersimulation．FivePEMFCmodelswithdifferentflowfielddeptharesetupand

7、modeledinthePEMFCmoduleoftheFluentsoftware．111epressuredistribution．concentrationandbatteriesperformanceofthefuelcellsarestudiedandtheresultsshowthatO．4mmisthebestchanneldepth．Byfixingthechannelderah,andchangingt