燃料电池流场结构及尺寸对其性能影响仿真研究开题报告

全文总字数：5818字

1. 研究目的与意义（文献综述）

选题背景及意义

随着社会和经济的不断发展，研究出能够保护环境，提高效率的能源迫在眉睫，这使得各种各样的新能源方案受到了人类的重视。目前，国内外已经提出了许多替代的能源技术，如生物燃料、风能、太阳能、水力发电、新型电池、地热发电等。所有的这些能源技术都有其应用，但每一种替代能源技术都有其优点和缺点。其中，燃料电池可以将燃料的化学能不经过热功转换过程直接转变为电能。由于其具有比能量高、清洁高效等特点，越来越多的被应用于发电站、电子设备、航空航天器、潜艇等领域。质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种清洁高效的电源, 具有效率高、寿命长、安装便捷、操作简单、工作温度低、启动快等优点。双极板作为燃料电池的重要部件之一, 具有将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应、排出热量、保持电池温度均匀等功能。不同的流场结构会对燃料电池的性能产生很大的影响。合理的流场结构可以提升质子交换膜燃料电池的性能, 提高气体分布的均匀性, 减少甚至避免水淹现象的产生。因此燃料电池流场结构及尺寸对其性能影响的研究对燃料电池的应用具有重要意义。

国内外研究现状

对于燃料电池流场结构及尺寸对其性能影响研究，国内外的相关研究很多。

众多研究人员对平行流道的几何尺寸进行了研究，以期获得有利于燃料电池运行的最佳尺寸，由于建模和实验工况的差异，得出的结论也存在差异。总的来说，当流道横截面形状尺寸不变时，研究者普遍认为应该将平行直流道的尺寸设置在1 mm以内，甚至有的认为应该将尺寸设置在 0.5 mm 以内，适当的减小流道尺寸有利于燃料电池性能的提升，因为在同样的气体流量下，流道尺寸的适当减小，会使气体流速增加，扩散层内的流速与压差呈反比关系，压差增大会使进入扩散层和催化层的气体浓度增加，也增强了流场的排水散热性能。在渐变尺寸流道（流道横截面形状尺寸在流动方向发生变化）方面，付宇等发明了两种带有气体流场的pemfc阴极板，其平行流道都是属于变截面的（即楔形流场），包括：深度不变，宽度逐渐加宽；宽度不变，深度逐渐加深；相比于传统的平直流道，渐缩截面可以保持流场流道内部对液态水的推动力，促进电池液态水的排出。李文娟等利用三维非等温模型，通过数值模拟进行了平行流场与楔形流场的电池性能对比研究。发现在流道进口深度保持不变的情况下，应该考虑减小流道出口深度以提高电池的性能，因为缩减流道出口深度会使流体流动速度增大，增强了反应流体在流道出口处向气体扩散层的传递；当进口流道宽度保持恒定时，流道出口宽度并不是越大越好，适当增大流道出口宽度会增加气体扩散层与气体的接触面积，过大的出口宽度反而会因为气体流速的降低和脊宽的减小使电池性能下降，因此应该适当的增加出口宽度来提高电池性能。张小娟等提出当流道宽度和进口深度保持恒定时，减小出口深度可以减小电池在高电流密度区的浓差极化，因此电池性能会获得一定幅度的提升。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

燃料电池双极板起着隔绝和分配反应气体、排出产生的水分以及传导电子等作用。为提高燃料电池输出性能，本毕业设计利用三维造型软件对燃料电池流场结构及其尺寸进行设计，并通过仿真软件对其性能进行模拟计算研究。主要开展以下工作：

1．查阅关于fluent软件在燃料电池建模与仿真中的应用、燃料电池流场结构仿真计算研究方面的文献资料，了解国内外相关研究现状；

2. 采用三维造型软件对燃料电池流场结构、尺寸及流场类型进行优化设计；

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] j. scholta, g. escher, w.zhang,等.investigation on the influence of channel geometries on pemfc performance[j].journal of power sources, 155(1):66-71.

[2] wang x d , huang y x , cheng ch , et al. flow field optimization for proton exchange membrane fuel cells withvarying channel heights and widths[j]. electrochimica acta, 2009,54(23):5522-5530.

[3] 陈磊, 郭朋彦, 张瑞珠. 质子交换膜燃料电池流道尺寸对电池性能的影响[j]. 河南科技.