摘 要

质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，以氧气为氧化剂的一种燃料电池，具有低污染、高效率、低温度、低噪声、高功率密度、快速启动等优点，在汽车行业备受关注，被广泛认为是最具前景的清洁能源替代装置。双极板作为质子交换膜燃料电池的关键组件之一，其性能的优劣直接影响着燃料电池的输出功率和使用寿命。金属双极板与石墨双极板比起来，在导电、导热、密封、加工等关键性能方面占据较大优势，并且由于其厚度薄，大大降低了电堆体积，提高功率密度，在车用燃料电池中受到越来越多的关注和应用。因此，对质子交换膜燃料电池的金属双极板进行优化设计以获得最佳电池性能具有重要的学术和工程意义。

本毕业设计结合科研项目，采用多物理场建模与仿真软件COMSOL Multiphysics建立质子交换膜燃料电池单电池模型，模拟单电池中流场、组分、电流与电压分布，模拟单电池由于在电堆中受到装配压力而导致的应力形变，随后根据应力变形对单电池传输现象的影响，从而设计金属双极板的尺寸达到最佳电池性能。

关键词：质子交换膜燃料电池；金属双极板；应力形变；传输；优化设计

Abstract

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are fuel cells using hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidant. They have the advantages of low pollution, high efficiency, low temperature, low noise, high power density, and fast start-up. They have attracted much attention in the automotive industry. It is widely regarded as the most promising alternative to clean energy. The bipolar plate is one of the core components of the PEMFC, and its performance directly affects the output power and the service life of the battery. Compared with graphite bipolar plates, metallic bipolar plates occupy major advantages in terms of electrical conductivity, thermal conductivity, sealing, and processing, and because of their thin thickness so that they greatly reduce the volume of the stack and increase the power density and get more and more attention and application in the field of automotive fuel cells. Therefore, it is of great academic and engineering significance to optimize the design of metallic bipolar plates of PEMFC for optimal cell performance.

This graduated design incorporates scientific research projects using multi-physics modeling and simulation software COMSOL Multiphysics to establish a PEMFC model that simulates the flow field, composition, current, and voltage distribution in a single cell. The stress deformation caused by the assembly pressure in the middle, and then according to the effect of stress deformation on the transmission phenomenon of the single cell, the size of the metal bipolar plate is designed to achieve the best battery performance.

Keywords: PEMFC; metallic bipolar plate; stress deformation; transmission; optimized design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 燃料电池技术与原理 2

1.2.1 燃料电池的概述 2

1.2.3 PEMFC的工作原理 4

1.2.4 PEMFC的组成与作用 5

1.3 文献综述及研究现状 7

1.4 本课题研究基本内容及技术方案 8

1.4.1 基本内容 8

1.4.2 技术方案 8

1.5 本章小结 8

第2章 PEMFC二维单电池模型 9

2.1 概述 9

2.2 PEMFC二维单电池模型 9

2.2.1 几何模型 9

2.2.2 材料选择与模型物理参数 10

2.2.3 物理场与方程 12

2.2.4 网格划分与多物理场 15

2.3 本章小结 17

第3章 PEMFC多物理场模拟仿真 18

3.1 概述 18

3.2 固体力学 18

3.3 二次电流分布与极化曲线 20

3.3.1 二次电流分布 20

3.3.2 极化曲线 23

3.4 固体传热 25

3.5 浓物质传递 26

3.6 本章小结 27

第4章 PEMFC金属双极板的优化设计 28

4.1 概述 28

4.2 BPP结构参数 28

4.3 应力分析 28

4.4 传输优化 30

4.5 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 全文总结 33

5.2 研究展望 33

参考文献 35

致谢 37

1. 绪论
   1. 引言

能源作为现代社会发展的三大支柱之一，是国民经济发展的动力和衡量一个国家综合国力的重要指标^[1]。传统的化石能源——煤、石油、天然气，在为人类社会的发展立下汗马功劳之后，其剩余储量及所带来的环境问题日益受到全人类的关注。20世纪建立起来的庞大的化石能源燃料系统已逐渐无法适应现在及将来绿色、可持续发展的需要，能源发展正面临前所未有的挑战。当今世界亟需一场能源革命，发展新能源，建立新的能源系统，以面对日趋严重的能源危机。新能源是指除传统化石能源之外的一些能够被利用的可再生能源能源，包括太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能和核能等一次能源，以及氢能、沼气、酒精、甲醇等二次能源。随着传统能源的资源储量问题以及所带来的环境问题日益加剧，具有可持续发展效益的新能源逐渐进入人们的视野。并获得越来越多的关注。作为21世纪的重大议题之一，提高能源利用率和发展新能源正影响着世界各国的能源决策和科技导向。

随着化石燃料的消耗量与日俱增，储量与日俱减，终有一天这些资源将要供不应求，这就迫切需要寻找一种能够代替化石燃料且储量丰富新能源燃料。而氢能，正是一种能够满足人类需求并有效缓解甚至解决然能源危机的新的二次能源。在经历多年的研究和努力之后，太阳能→水→氢能→电能这一新的能源结构开始受到科学家们青睐。作为二次能源的氢能，是无法直接从自然界开采的，它必须建立在一定技术手段的基础上并以其他能源为媒介来获取，例如太阳能电解水制氢。氢能的优势在于其高储量、轻质量、广来源、宽用途、高热值、优导热、无污染、多形态、高燃点、快燃烧，作为自然界最丰富的元素，氢气的燃烧产物还是水——地球上最丰富的资源，且等质量氢气所释放的热量，约为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。在追求可持续发展的现代，不得不承认，氢能，将具有无限的潜力。