基于樹葉形態(tài)的PEMFC雙極板結構設計與優(yōu)化.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有無污染、能量轉換效率高等優(yōu)點,受到人們廣泛的關注,成為21世紀最具有發(fā)展前景的能源。由于質子交換膜燃料電池內部工作環(huán)境復雜,加之實驗條件的限制,因此通過數值模擬的方法對質子交換膜燃料電池進行研究顯得非常重要。目前,常規(guī)的雙極板流場結構由于進出口壓降過大,反應氣體利用率不高,液態(tài)水不易被排出,以及電流密度分布不均勻等現象,制約著質子交換膜燃料電池流場結構的發(fā)展,限制了質子交換膜燃料電池性能的提高。

2、>　　本文針對質子交換膜燃料電池雙極板的流場結構,設計出兩組以樹葉葉脈為原型,以Murray法則為基礎的新型仿生結構,通過流體動力學軟件Fluent的PEM模塊對電池內部傳質傳熱以及電化學反應進行模擬分析與優(yōu)化。首先從進化論的觀點出發(fā),認為物種的存在必然有其優(yōu)越性,對樹葉葉脈進行簡化,建立一組基于Y型的仿生結構的三維數學模型,該模型考慮了質子交換膜燃料電池內部的熱—流—電等多場強耦合,模擬的區(qū)域主要包括雙極板、流道、陰陽極擴散層、陰陽極

3、催化層和質子交換膜。通過對仿生結構中五種不同仿生結構的氫氣摩爾濃度、氧氣摩爾濃度、水的摩爾濃度、溫度、壓強、流道速度以及電流密度的分布,得出Ⅳ形流場結構具有最優(yōu)的性能,并通過電池的外部操作參數,例如濕度、溫度、壓強以及過量系數的變化,對Ⅳ形流場結構進行優(yōu)化,得到最優(yōu)的外界操作條件;最后,在最優(yōu)結構和外界操作條件的基礎上,設計出兩種新型的雙極板流場結構。本文從計算機模擬的角度,對雙極板新型仿生結構流場的設計與優(yōu)化進行了研究,為新型質子交換