摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2质子交换膜燃料电池简介 1

1.2.1 质子交换膜燃料电池的结构与工作原理 1

1.2.1 质子交换膜燃料电池的发展 3

1.3 质子交换膜燃料电池催化层的研究 4

1.3.1质子交换膜燃料电池催化层的制备方法 5

1.4 本文研究的目的 6

1.5 本文研究的内容 6

第2章 超声喷涂 7

2.1 超声喷涂的基本工作原理 7

2.1.1 超声喷嘴雾化机理 7

2.1.2 超声喷涂机的基本结构和工作原理 9

2.2 本章小结 10

第3章 超声喷涂固液两相流场建模 11

3.1 超声喷涂连续相流场计算模型 11

3.1.1 基本模型 11

3.1.2 层流模型 11

3.2 超声喷涂离散相流场计算模型 12

3.2.1 离散相的控制方程 12

3.3 超声喷涂流场建模 13

3.3.1 设定控制域 13

3.3.2 网格划分 14

3.3.3 网格无关性分析 16

3.3.4 仿真方法 17

3.3.5 边界条件和其他参数设定 18

3.4 本章小结 18

第4章 超声喷涂固液两相流场仿真分析 19

4.1 超声喷涂固液两相流场仿真计算 19

4.1.1 离散相的仿真方法 19

4.1.2 离散相的初始条件设定 19

4.1.3 离散相边界条件和其它参数设定 20

4.2 仿真结果及分析 20

4.2.1 不同时刻的超声喷涂情况 21

4.2.2 不同速度下超声喷涂的粒径分布 22

4.2.3 不同粘度下超声喷涂的粒径分布 24

4.2.4 不同表面张力下超声喷涂的粒径分布 25

4.2.5 不同喷射距离下的粒径分布 27

4.3 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 研究展望 28

参考文献 30

致谢 32

摘 要

燃料电池是一种结构简单、发电效率高、比能量高、噪音低并且清洁无污染的能量转换装置，而质子交换膜燃料电池作为燃料电池的一种，近年来已经越来越被新能源汽车所青睐，成为其动力装置的一种选择。质子交换膜燃料电池的工作原理是通过电化学反应将氢氧燃料中的化学能转化为电能输出，而电化学反应是燃料电池工作的核心。电化学反应发生在质子交换膜燃料电池膜电极内的催化层，因此对催化层的制备要求很高，超声喷涂作为一种新型制备质子交换膜燃料电池催化层的技术，具有雾化液滴粒径小，尺寸分布均匀的优点，因此研究利用超声喷涂技术制备催化层对优化燃料电池性能有重要意义。

本文以计算流体力学为基础，利用DPM(Discrete Phase Model)的方法，主要采用计算流体力学软件Fluent建立质子交换膜燃料电池催化层墨水超声喷涂模型，模拟液体自喷嘴喷射出后的雾化过程，旨在分析液滴飞行过程中的粒径变化。数值分析结果表明：增大喷涂速度会减少喷涂宽度而增加喷涂厚度，因此合理的喷涂速度才能在保证喷涂厚度的情况下拓宽喷涂范围；通过改变催化剂墨水各组分的配比来改变整体墨水的粘度和表面张力，靠近被喷涂面处的粒径分布随着粘度和表面张力的增大而向大尺寸方向拓展。

关键词：质子交换膜燃料电池；催化层；超声喷涂；数值分析；粒径

Abstract

Fuel cell is a kind of energy conversion device with simple structure, high power generation efficiency, high specific energy, low noise and clean and pollution-free. Proton exchange membrane fuel cell, as a kind of fuel cell, has been increasingly used by new energy vehicles in recent years. It is favored and becomes an option for its power unit. The working principle of a proton exchange membrane fuel cell is to convert the chemical energy in the hydrogen-oxygen fuel into an electrical energy output through an electrochemical reaction, and the electrochemical reaction is the core of the fuel cell operation. The electrochemical reaction occurs in the catalytic layer in the membrane electrode of the proton exchange membrane fuel cell, so the preparation of the catalytic layer is very demanding. Ultrasonic spraying is a new technology for preparing the catalytic layer of the proton exchange membrane fuel cell, with atomized droplets. The advantages of small diameter and uniform size distribution, so it is important to study the preparation of catalytic layer by ultrasonic spraying technology to optimize the performance of fuel cell.

Based on computational fluid dynamics (DPM), the DPM (Discrete Phase Model) method is used to establish the ultrasonic spray coating model of the proton exchange membrane fuel cell catalytic layer by using the computational fluid dynamics software Fluent to simulate the atomization process of the liquid from the nozzle. Designed to analyze particle size changes during droplet flight. The numerical analysis results show that increasing the spraying speed will reduce the spraying width and increase the thickness of the spraying. Therefore, a reasonable spraying speed can widen the spraying range while ensuring the thickness of the coating. The overall ink can be changed by changing the ratio of the components of the catalyst ink. Viscosity and surface tension, the particle size distribution near the surface to be sprayed expands toward the large size as the viscosity and surface tension increase.

Key Words：PEMFC; Catalytic layer; Ultrasonic coating; Numerical analysis; Particle size