PEMFC双极板仿生流场结构水管理的研究

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1、分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目PEMFC双极板仿生流场结构水管理的研究英文Thestudyofwatermanagementinbionicflowfield题目structureforPEMFC研究生姓名高攀指导老师姓名陈涛职称教授学位博士单位名称机电工程学院邮编430070副指导老师姓名职称单位名称邮编申请学位级别硕士学科专业名称机械工程论文提交日期2014年4月论文答辩日期2014年5月学位授予单位武汉理工大学学位授予日期答辩委员会主席评阅人2014年5月万方数据独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所

2、知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期万方数据武汉理工大学硕士学位论文中文摘要现实的能源危机和环境问题，使得

3、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PE

4、MFC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

5、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

6、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。关键词：质子交换膜燃料电池，水管理，数学模型，仿生流场，操作条件I万方数据武汉理工大学硕士学位论文AbstractDevelopmentofnewenergybecomesmoreandmoreimportantincompanywithenergycrisisandenvironmentalpollution.Protonexchangemembranefuelcell(PEMFC)isbecomingtheidealhydrogenenergydeviceasitshigh-efficiencyandpoten

7、tialandtheresearchandapplicationofPEMFCarebeingpaidmoreandmoreattentionto.HowtoimprovetheperformanceofPEMFChasbecameoneoftheresearchhotspotsanddifficulties.Waterisoneofthemostimportantfactorssignificantlyinfluencingtheperformanceoffuelcellamongthemany.Watermanagemen