论文的目的：

现实的能源危机和环境问题，使得人们对新能源的开发和需求变得越来越重要。质子交换膜燃料电池具有率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优点,所以是目前很有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源,市场前景相当可观。而目前的燃料电池还处于研究阶段,它的一些机理和关键问题没有解决,流场就是其中一个长期研究,但是仍然没有最终解决的方面^[1]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种新能源氢能的利用装置，以特有的优势和发展潜力，其研究和运用也越来越受到重视。如何获得高性能，是当下对其研究的热点和难点之一^[2]。

影响PEMFC性能的因素有很多，水是其中影响PEMFC性能的关键因素之一^[3]。如何保持电池内水的相对平衡，即对电池实现有效的水管理，是现在研究上的难点之一。电池的流场作为电池排水通道和气体流通通道的，其对结构对电池的水管理具有非常重要的作用。流场板是双极板最重要的组成部件,流场设计的好坏极大的影响电池的性能,对于大面积燃料电池,流场的作用显得尤为重要,电极工作面积加大过程中,流场设计不合理往往是导致电池性能下降的主要原因。在燃料电池流场的研究方面,至今已开发点状、网状、直流道、蛇形和交指形等传统流场^[4-6]。另外,还有大量的新型流场被设计出来。本文以PEMFC的阴极流场结构为基础，研究和分析模拟不同流道厚度，不同孔隙率，不同的温度，电流密度及阴极过量系数对阴极流道排水性能的影响。

论文的意义：

燃料电池不仅是汽车最有前途的替代清洁能源之一,还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源,又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给,还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广,市场前景十分广阔。质子交换膜燃料电池(PEMFC)近年来得到了迅速发展。电池运行温度一般为50～80℃,所以有液态水出现^[7]。如果液态生成水未能及时排出，便会造成“水淹”,引起电池性能降低。利用3D打印技术打印出透明流道壳体模型，方便直接观察液态水在流道内的流动情况。模拟不同流道厚度，不同孔隙率，不同的温度，电流密度及阴极过量系数对阴极流道排水性能的影响，得出PEMFC最佳性能的工作条件，研究结果对提高PEMFC性能具有重要意义^[8]。

国内外研究现状分析：

迄今，燃料电池已经历了一个多世纪的发展历程。现代对燃料电池的研究和开发始于20世纪50年代，并以60年代美国将燃料电池成功地应用到载人航天飞行器为标志，使燃料电池在这一特殊领域步入实用化阶段。80年代以后，燃料电池从空间运用转入民用。进入90年代，由于全球性能源紧缺问题日趋突出以及环境保护和可持续发展的迫切要求，燃料电池因其突出的优越性得到了蓬勃的发展，洁净电站、便携式电源即将进入商业化阶段，燃料电池动力汽车进入实验阶段。发达国家将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正已快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。在美国，普拉格能源（PlugPower）公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统^[9-12]。2001年，PlugPower公司开发出它的专利产品PlugPower7000居民家用分散型电源系统，此产品将提供7KW的持续电力。家用燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面临挑战。早在20世纪50年代，我国就开展燃料电池方面的研究，在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多的突破。政府十分注重燃料电池的研究开发，陆续开发出30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，相继开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组；开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列^[13-15]。

我国政府非常重视燃料电池技术的发展。在90年代后，加大了对燃料电池的政策扶持力度。国家科委批准将“燃料电池技术”列为国家“九五”、“十五”计划中重大科技攻关项目之一。2010年我国自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电池膜实现国产化。历经8年科研攻关，打破了美国、日本长期对该项技术的垄断。与此同时，企业完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜的年产500吨的生产装置已经建成投产，解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈，我国由此成为世界上第二个拥有该项技术和产业化能力的国家。在燃料电池产业发展现状分析研究066国家政策和行业技术发展的共同推动下，上汽集团、长安汽车和东风汽车等主要汽车公司纷纷与燃料电池制造商合作推出自己品牌的燃料电池轿车和燃料电池客车，有力地推动了我国燃料电池汽车的进步，技术水平与国际汽车巨头也相差不远。我国的专利数量排名第五。从技术细节方面来看，中国则更为关注电极和催化剂；从技术分类来看，中国关注质子交换膜燃料电池技术。国内燃料电池核心技术与部件研发方面，上海、北京、辽宁均非常重视电极的研发，申请的专利数量不相上下；上海在燃料电池系统、膜电极组件、电堆和双极板研发上在国内具有优势；北京在催化剂上领先；而辽宁在双极板研发上具有优势。但是，我国的专利申请主要集中在研究院所和高校，企业专利申请数量较少^[16-19]。

综上所述，许多国家和地区都将燃料电池技术与周边设施产业的开发列为国家重点研发项目，同时，企业界也纷纷投入巨资，积极从事燃料电池技术的研究与开发，以加速燃料电池的商品化，使得燃料电池逐渐具有与传统发电机及内燃机发动机竞争的实力。许多国家包括中国都不约而同的在发展燃料电池作为零排放和超低排放汽车的动力等方面开展了大量的研究活动^[20-22]。应用燃料电池应该是解决石油资源缺乏、改善尾气污染的最有效的途径之一。可以看到，我国在燃料电池技术开发上仍然拥有一定的优势，我国的政府、企业与研发机构应加大对燃料电池的研发力度，保持技术竞争力，抢占未来发展的制高点。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容