樹狀分形流場(chǎng)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、以氫能為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池具有無(wú)污染、高轉(zhuǎn)化率、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在固定電源、移動(dòng)設(shè)備和交通運(yùn)輸方面得到廣泛應(yīng)用，但低于80℃的工作溫度存在催化劑易毒化、水熱管理復(fù)雜等問題，阻礙了它的市場(chǎng)化。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池將工作溫度提升到100℃-200℃，不但可以解決這些問題還可以提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率，但同時(shí)也對(duì)電池流場(chǎng)設(shè)計(jì)和材料特性等方面提出新的要求。樹狀分形結(jié)構(gòu)是一種自然優(yōu)化的傳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文從高溫質(zhì)子交換膜燃料電池流場(chǎng)設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)

2、變化出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于樹狀分形結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)，使得電池供氣充足均勻，改善反應(yīng)氣體的輸運(yùn)特性，提高電池整體性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴闡述了基于Murray定律的樹狀分形流場(chǎng)的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)Murray定律和其推廣公式計(jì)算流場(chǎng)尺寸，設(shè)計(jì)出一種結(jié)合平行流場(chǎng)的新的樹狀分形流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。⑵建立了基于樹狀分形和傳統(tǒng)平行流場(chǎng)的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的三維穩(wěn)態(tài)單相模型，并用計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)電池的極化曲線、速度場(chǎng)分布、氣體濃度分布、電

3、流密度分布、壓降值及分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明在相同條件下設(shè)計(jì)的新型樹狀分形流場(chǎng)比傳統(tǒng)平行流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的最大輸出功率密度提高了23.9％，同時(shí)由氣體分布和壓降云圖可以直觀觀察到具有更均勻的氣體分布和壓降分布。⑶根據(jù)高溫下新的材料和實(shí)驗(yàn)特性，設(shè)計(jì)組裝了基于樹狀分形流場(chǎng)的高溫質(zhì)子交換膜燃料單電池；搭建了測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行電池性能測(cè)試。電池性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相近，極化曲線和功率密度曲線偏差很小，具有相同的整體趨勢(shì)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)