基于pem燃料电池流场板及电池堆流体流动分布的研究

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1、天津大学硕士学位论文PEM燃料电池流场板及电池堆流体流动分布的研究姓名：任茂宾申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：王宇新20021201摘要燃料电池(简称FC)以其能量转化效率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。流场板是Fc的重要组成部分，它为电池分配燃料与氧化剂并串连相邻电池，其成本可占总成本的约40％，而Fc的高成本正是其走向实用化的一大障碍。另外，实用Fc电源需要将多个单电池串联为电池堆，而电池堆的性能不但取决于各单电池的材料和工艺水平，还很大程度上受到燃料和氧化剂向各单池分配均匀性的影响。不均匀流体分配可以使电池堆大大低于单电池的比性

2、能。本论文针对现有流场板成本高和电池堆流体分配问题，在开发高性能、价廉的FC流场板及分析电池堆的流体流动行为方面进行一些新的探索和尝试。论文首先从材料入手研究了可膨胀石墨的膨化工艺，并进一步研究了石墨的膨化温度、膨胀比容积、膨化时间对可膨胀石墨导电性能的影响。在不同工艺条件下将蠕虫状石墨用压片机压制成柔性石墨片，测其电阻并计算电阻率，从而确定电阻率的影响因素。本文还将其它材料与石墨复合，并研究了这些复合柔性石墨片的导电性能。提出并验证了柔性石墨流场板～步模压成形技术，除单独测量流场板导电率和气密性外还装配了燃料电池，测其放电性能曲线并与其它材料流场板组装的燃料电池的放电性能进行比较，从而验证新

3、材料和工艺的性能。本文还用PhoeniCS流体力学计算软件对直接甲醇燃料电池电堆中甲醇溶液的流体流动特征进行模拟。研究了电堆的主流道入口流速、单电池数目、电堆的主流道入口尺寸、各单电池流道长度等因素对电堆流体分配的影响。提出了改进流体分配均匀性的设计方案。研究取得了极具开发前景的结果，所压制出的柔性石墨流场板的性能相当或略好于硬质石墨板，但其成本将远低于硬质石墨板，这将为燃料电池提高经济竞争力和走向实用化奠定基础。对电池堆中流体分配行为模拟方法的建立将有助于电池堆的优化设计从而提高其性能。关键词：流场板：蠕虫状石墨；可膨胀石墨；直接甲醇燃料电池；燃料电池电堆模拟ABSTRACTFuelcell

4、(FC)isrecognizedasanewalternativetothepresentpowerSOUrCesbecauseofitscharacteristicsofhighefficiency,lowemission，highenergyandpowerdensity．FlowfieldplateisanimportantpartinFC，whichdistributesfuelandoxidantforFCandprovideselectronicconnectionbetweensinglecells．Itscostaccountsforabout40％ofthewholecost

5、ofFC，whilethehighcostofFCisakeyobstacletOitswideapplication．Inaddition，manysinglecellshavetObeconnectedinseriestOformastack，tomakeapracticalFCpowersource．TheperformanceofaFCstacknotonlydependsonthematerialsandfabricationofallsinglecells，butalsogreatlyaffectedbythedistributionofruelandoxidanttoeachce

6、ll．Withtheabovebackground，newmaterialsandmanufacturingmethodsforflowfieldplatesareexploredandflowprofileinFCstackareanalyzedinthisthesis．Thestudybeganwithgraphitematerialresearchandtheeffectofexpandingtemperature，expandingdegreeandexpandingtimeontheplate’selectricalresistancewereinvestigated．Composi

7、tegraphitematerialswerealsoprocessedandutilizedtomakeflowfieldplates．Investigationsoftherelationbetweenplates’resistanceanditsprocessingconditionswerecarriedout．Amethodofone—steppressmoldinginproducin