摘 要

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）由于其在室温能快速启动、排水容易、寿命长、比功率和比能量高等突出特点，特别适合用作电动汽车等的移动动力源，受到了国家和企业的高度重视。

流场结构对电池性能影响重大，是近年来研究的重点。本文从在流道中设置堵块从而改善流道传质性能的方法出发，利用流体力学软件Fluent对不同堵块间距比例的PEM燃料电池进行了二维数值模拟，根据EMTC评价指标来综合分析各模型的传质性能好坏。根据结果来对流道设计进行相应的优化。

最后结果表明：（1）添加堵块以后，沿流道方向的气体速度、压降、氧气摩尔浓度都有明显的提高，有利于沿流道方向的传质。（2）垂直于流道方向的气体速度、压降、氧气摩尔浓度也有一定的增加，尤其是在堵块下方。（3）堵块间距比例越小，堵块数目多且密集会形成过大的压降，不利于气体分布的均匀性（4）就0.85mm流道高度而言，堵块间距为3-4mm时流道的传质性能最好好，不会在流道内形成过大的压降且气体也更容易向扩散层传输。

本文的特色主要在于构建了新型的堵块流道模型，利用Fluent软件进行模拟计算，通过EMTC评价指标进行综合分析，所得结论对于燃料电池流道结构的优化有重要的指导作用。

关键词：PEM燃料电池；传质性能；结构设计

Abstract

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are characterized by their rapid startup at room temperature, easy drainage, long life, high specific power and specific energy, and are particularly suitable for use as mobile power sources for electric vehicles. The country and companies attach great importance to it.

The flow field structure has a significant impact on battery performance and is the focus of research in recent years. In this paper, two-dimensional numerical simulations of PEM fuel cells with different plug-to-block spacing ratios are performed by using fluid mechanics software Fluent to set up blocking blocks to improve the mass transfer performance of the flow channels. The models are comprehensively analyzed based on EMTC evaluation indicators to discuss mass transfer performance is good or bad. According to the results, the flow path design is optimized accordingly.

The final results show that: (1) After the blockage is added, the gas velocity, pressure drop, and oxygen molarity along the flow path are all significantly increased, which is beneficial to the mass transfer along the flow path. (2) The gas velocity, pressure drop, and oxygen molarity in the direction perpendicular to the flow channel also have a certain increase, especially below the plugging block. (3) The smaller the blocker spacing ratio, the greater the number of blockages and the formation of excessive pressure drop, which is detrimental to the uniformity of the gas distribution. (4) The blocking distance is 3-4mm for the 0.85mm flow path height. The mass transfer performance of the runner is best when it does not create an excessive pressure drop in the flow passage and the gas is more easily transferred to the diffusion layer.

The main feature of this paper is to construct a new plugging flow channel model, using Fluent software for simulation calculation, comprehensive analysis through EMTC evaluation indicators, and the conclusions have an important guiding role in the optimization of fuel cell flow channel structure.

Key Words：PEMFC；Mass transfer performance；Structural design

目 录

摘 要 Ⅱ

Abstract Ⅲ

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 PEM燃料电池的构造及原理 2

1.2.2 PEM燃料电池流道结构国内外研究综述 3

1.3 研究（设计）的基本内容、拟采用的技术方案及措施 4

1.3.1 基本内容 4

1.3.2 研究方法与技术方案 4

第2章 PEM燃料电池的数学模型 5

2.1 基本流体力学模型 5

2.1.1 质量守恒方程 5

2.1.2 动量守恒方程 5

2.1.3 能量守恒方程 6

2.1.4 组分守恒方程 6

2.2 电化学反应模型 7

2.2.1 电化学方程 7

2.2.2 电流守恒方程 7

2.2.3 反应物消耗和水生成 7

2.3 多孔介质中气体的传输模型 7

2.4 气平衡模型 8

2.5 本章小结 9

第3章 PEM燃料电池的流道方案设计与分析 10

3.1 分析模型 10

3.1.1 计算模型 10

3.1.2 模型参数 12

3.2 方案分析 13

3.2.1 方案一模拟结果的分析 13

3.2.2 方案二模拟结果的分析 24

3.2.3 方案三模拟结果的分析 34

3.3 本章小结 44

第4章 结论 45

4.1 全文总结 45

4.2 研究展望 45

参考文献 46

致 谢 48

绪论

1.1研究背景及研究意义

1.1.1研究背景

质子交换膜燃料电池由于运输，固定和储存方便的优点成为了非常有前途的下一代能源资源。由于PEM燃料电池对于环境的负面影响很小，比如能够减少温室气体的排放，是一种十分高效、安全、清洁和经济的能源，因此它们非常适合用于交通运输。基于PEM燃料电池技术的进步，各种类型的燃料电池电动汽车开始研发生产，各大汽车企业在燃料电池汽车技术领域开始了新一轮的角逐。

基于反应气进行电化学反应的燃料电池不需要经过传统内燃机的热机过程，不用受到卡诺循环的限制，从而能量转化效率较高。燃料电池的能量密度和功率密度也比普通的蓄电池要高，同步启动同步供能使得燃料电池不需要进行充电的过程，比较适合作为电动汽车的动力源，补充氢气就能够源源不断获取动力。它就像是一个自主运行的发电厂，规模可小可大，可以适应不同负荷的使用要求。