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(nèi)部工作環(huán)境復雜,加之實驗條件的限制,因此通過數(shù)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(xiàn)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(nèi)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(shù)學模型,該模型考慮了質子交換膜燃料電池內(nèi)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(shù),例如濕度、溫度、壓強以及過量系數(shù)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