基于樹(shù)葉形態(tài)的PEMFC雙極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有無(wú)污染、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),受到人們廣泛的關(guān)注,成為21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的能源。由于質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部工作環(huán)境復(fù)雜,加之實(shí)驗(yàn)條件的限制,因此通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)行研究顯得非常重要。目前,常規(guī)的雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)由于進(jìn)出口壓降過(guò)大,反應(yīng)氣體利用率不高,液態(tài)水不易被排出,以及電流密度分布不均勻等現(xiàn)象,制約著質(zhì)子交換膜燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,限制了質(zhì)子交換膜燃料電池性能的提高。

2、>　　本文針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出兩組以樹(shù)葉葉脈為原型,以Murray法則為基礎(chǔ)的新型仿生結(jié)構(gòu),通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent的PEM模塊對(duì)電池內(nèi)部傳質(zhì)傳熱以及電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬分析與優(yōu)化。首先從進(jìn)化論的觀點(diǎn)出發(fā),認(rèn)為物種的存在必然有其優(yōu)越性,對(duì)樹(shù)葉葉脈進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立一組基于Y型的仿生結(jié)構(gòu)的三維數(shù)學(xué)模型,該模型考慮了質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部的熱—流—電等多場(chǎng)強(qiáng)耦合,模擬的區(qū)域主要包括雙極板、流道、陰陽(yáng)極擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極

3、催化層和質(zhì)子交換膜。通過(guò)對(duì)仿生結(jié)構(gòu)中五種不同仿生結(jié)構(gòu)的氫氣摩爾濃度、氧氣摩爾濃度、水的摩爾濃度、溫度、壓強(qiáng)、流道速度以及電流密度的分布,得出Ⅳ形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的性能,并通過(guò)電池的外部操作參數(shù),例如濕度、溫度、壓強(qiáng)以及過(guò)量系數(shù)的變化,對(duì)Ⅳ形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)的外界操作條件;最后,在最優(yōu)結(jié)構(gòu)和外界操作條件的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出兩種新型的雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。本文從計(jì)算機(jī)模擬的角度,對(duì)雙極板新型仿生結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行了研究,為新型質(zhì)子交換