摘 要

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化物中的化学能不经过燃烧直接转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池主要由阴极、阳极和膜电极层组成。其中膜电极组是质子交换膜、催化基层和扩散层的组合体，是质子交换膜燃料电池的核心部件。带流场的双极板为膜电极组提供反应气体并且传导热能，对整个质子交换膜燃料电池有着至关重要的影响。

本毕业论文主要对燃料电池三维流场进行研究，在传统流道的基础上增加凸台来实现三维结构，通过改变流场内流道截面来改变流场内气体的分布，从而达到改善气体传质和提高排水性能的目的。本论文设计不同凸台高度、不同凸台形状、不同凸台间隔的燃料电池流道，对流场内气体在流道的速度分布和压力变化进行分析。

通过COMSOL软件对燃料电池单根三维流场进行建模和-计算发现，凸台高度和间隔均对流场内气体分布有影响，当凸台高度为0.5mm，凸台间隔为5mm时，流场有最适宜的速度和压差，即可以满足排水性能的需求，又可以减少寄生功率的损失。同时，凸台形状也影响着流场内气体流速的分布，对改善传质有很大的作用。

关键词：质子交换膜；双极板；三维设计；传质

Abstract

A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy stored in fuel and oxide directly into electrical energy without combustion. The proton exchange membrane fuel cell consists mainly of cathode, anode and membrane electrode layers. Wherein the membrane electrode group is a proton exchange membrane, a catalyst layer and a diffusion layer, and is a core component of the proton exchange membrane fuel cell. The bipolar plate with flow field provides the reaction gas and conducts thermal energy for the membrane electrode group, which has a crucial influence on the whole proton exchange membrane fuel cell.

This paper mainly studies the three-dimensional flow field of the fuel cell, and adds the boss to the three-dimensional structure on the basis of the traditional flow channel. By changing the flow path in the flow field, the distribution of the gas in the flow field is changed to improve the gas Quality and improve the performance of drainage purposes. In this paper, the fuel cell flow path with different boss height, different boss shape and different boss spacing is designed, and the velocity distribution and pressure change of the gas in the flow field are analyzed.

The three-dimensional flow field of fuel cell is modeled and calculated by COMSOL software. It is found that the height and interval of the boss have an influence on the gas distribution in the flow field. When the height of the boss is 0.5mm and the pitch is 5mm The field has the most suitable speed and pressure, which can meet the needs of drainage performance, but also can reduce the loss of parasitic power. At the same time, the shape of the boss also affects the distribution of gas flow in the flow field, which has a great effect on improving the mass transfer.

Key words: Proton exchange membrane; bipolar plate; three-dimensional design; mass transfer

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 质子交换膜燃料电池流场研究现状 1

1.2.1 燃料电池双极板的概述 1

1.2.2 流场类型 3

1.2.3 新型流场 5

1.3 文献综述 6

1.4 本文研究内容 9

第2章 质子交换膜燃料电池三维流场设计 10

2.1 流场设计需要考虑的因素 10

2.2 设计方案 11

第3章 燃料电池三维流场模型的计算 13

3.1 COMSOL Mutiphysics 软件的介绍 13

3.2 模型的假设 13

3.3 建模过程 14

3.4 网格的建立 15

3.5 计算结果的处理 16

3.5.1 Comsol后处理能力介绍 16

3.5.2 对压力的处理 17

3.5.2 速度图像的后处理 18

3.3.3 压力图像的后处理 19

第4章 燃料电池三维流场计算分析 20

4.1 二维流场计算分析 20

4.2 凸台高度对流场的影响 22

4.2.1不同凸台高度网格模型 22

4.2.2 不同凸台高度的速度对比 24

4.2.3 不同凸台高度的压力对比 26

4.3 凸台间隔对流场的影响 28

4.3.1 不同凸台间隔网格模型 28

4.3.2 不同凸台间隔的速度对比 30

4.3.3 不同凸台间隔的压力对比 32

4.4 凸台形状对流场的影响 34

4.4.1 不同凸台形状网格模型 34

4.4.2 不同凸台形状的速度对比分析 36

4.4.3 不同凸台形状的压力对比分析 39

第5章 结论与展望 42

5.1 总结 42

5.2 展望 42

参考文献 43

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 引言

在21世纪，伴随着能源的过度利用，能源问题和环境污染日益严重，新型能源的开发已经被越来越多的国家提上日程。根据国际能源界的预测，煤、石油、天然气等化石能源的可持续利用已经逐渐接近后期，而新型的氢能源将取代传统能源，形成新型的氢能源经济。氢能源相比传统能源有着无比巨大的优势，首先，氢能源是一种环境友好型的清洁能源，氢气的燃烧产物只有水，对环境无污染，而传统化石能源的燃烧产物中含有一氧化碳，二氧化硫，氮氧化物、粉尘和能产生温室效应的二氧化碳，对环境的污染严重。氢能源不仅环保。它燃烧释放的能量也远远高于化石燃料。同时，目前已探测到的氢能源储量巨大，可以有效缓解传统化石能源的匮乏问题。所以，氢能源已开始逐步替代传统化石能源^[1]。

在氢能源的开发利用上。目前燃料电池是最主要和应用最多的方式。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化物中的化学能不经过燃烧直接转化为电能的发电装置，同时它也是继水力发电、火力发电、核能发电之后的第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。燃料电池同时具有内燃机和电池的诸多功用，同时由于其不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，也具有能量转化率高、可靠性高、无污染等优点，燃料电池已经成为最具有机遇的发展项目^[2]。