质子交换膜燃料电池双极板流场的研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文质子交换膜燃料电池双极板流场的研究姓名：王科申请学位级别：硕士专业：人机与环境工程指导教师：朱春玲20070301南京航空航天大学硕士学位论文摘要双极板是质子交换膜燃料电池中非常关键的一个部件，其性能的好坏很大程度上影响了燃料电池的性能。因为双极板上的流道决定了反应剂与生成物在流场内部的流动状态、电池的散热能力以及电池长期运行的稳定性。本文主要研究工作是围绕采用两种流道结构的双极板的不同尺寸对电池性能的影响来进行的。本文建立了一个用于研究质子交换膜燃料电池内双极板性能的三维数学模型，同时考虑了流体的流动、多组份的传输和电化学动力学。研究的对象为质子交换膜燃

2、料电池的阴极半电池，它包括了流道、扩散层和催化层。采用统一的数学方程描述整个区域的传递现象，而用不同的源项和相应的物性参数反映不同性质的层。通过采用商用Fluent软件求解流体流动、组份传递等方程组，获得了电池内的流体流动、反应产物组份浓度等的分布。分析了不同电流密度、反应物进入速度等对电池内气体的传输和气体的分配的影响。讨论了交指形和直通道流道结构尺寸对气体流动和传质的影响。同时通过对采用这两种流场组装的燃料电池进行实验，交指形流道结构能大大提高反应物和产物传递速率，从而有效地改善了电池的极限电流密度和降低了电池的极化等，验证了部分理论分析的结论。关键词：质子交换膜燃料电池，燃料电

3、池，双极板，计算流体力学(CFD)I质子交换膜燃料电池双极板流场的研究AbstractBipolarPlateisoneofmostimportantpartinPEMFC;theyaregreatlyinfluentialtocellperformancebecausetheflow-fieldstructuredecidestheflowpatternofthereactantsandproduct,heattransfer,andthelong-runstabilityoffuelcell.Theworkinthisthesisfocusesontheeffectsoftwok

4、indofflow-fieldgeometricstructureoncellperformance.Inthisthesis,athere-dimensional,comprehensive,steady-statemathematicalmodelisdescribedtoinvestigatethefluidflow,speciestransportandelectrochemicalreactioninthePEMfuelcell.Thestudieddomainconsistsoffluidchannels,diffusionlayersandcatalystlayerso

5、fcathode.Thetransportphenomenaoccursinthecathodebipolarplateisdescribedbythegeneralizedequation,anddifferentphysicalparametersandsourcetermsareemployedfordifferentlayers.Theflowcharacteristics,masstransportinthe3-Dspaceareobtainedbyresolvingthetransportequation,andcouplingtheelectrochemicalkine

6、ticsequations.ThegeneraldifferentequationsaresolvedbymethodbasedonvolumecontrolfinitediscreteCFDtechniquewithFluentsoftware.Thengaintheflowperformanceofthefluidandthedistributionofthereactantandproductioninthecell.Analyzetheinfluenceofthecurrentdensityandreactantinletvelocityforthegastransferan

7、ddistribution.Anddiscusstheinfluenceofthestructureofinterdigitatedandparallelflow-fieldforthegasflowandtransfer.Intheexperiment,wetesttwoflow-fieldswiththesameMEAanddiscoverthattheinterdigitatedflow-fieldcanimprovethegastransferve