摘 要

进入21世纪以来，为了应对日渐严重的环境问题、资源短缺问题和全球变暖等问题，对新型能源的开发越来越受到人们重视。燃料电池就是一种十分具有潜力的新型能源。

燃料电池的流场板是及其重要的部件，具有隔离阴极和阳极反应物、提供反应气体流动通道、收集输出电流、提供膜电极支撑和排出燃料电池系统热量和反应生成水等作用。本文对燃料电池流场尺寸对其性能的影响进行了研究。

本次设计使用CFD前处理软件Gambit进行建模和网格划分，共设计了三种流场尺寸方案：方案一，流道宽度和流道岸宽度均为1mm，作为流道宽和岸宽较均衡的基础方案；方案二，流道宽度增加到1.2mm且流道岸宽度缩小到0.8mm；方案三，流道宽度缩小到0.8mm且流道岸宽度增加到1.2mm。再使用流体力学模拟仿真软件Fluent读取并匹配模型，对三种不同流场尺寸方案的燃料电池模型进行仿真模拟并进行数据分析。

最终模拟结果表明：流道和流道岸宽度的改变会影响电池性能，流道宽度较小流道岸宽度较大的燃料电池性能最好；流道和流道岸宽度的改变会影响电池组分的分布，流道宽度较大流道岸宽度较小的燃料电池氢气和氧气浓度最小；流道宽度较小流道岸宽度较大的燃料电池水分子堆积最严重。

关键词：质子交换膜燃料电池；流场设计；Fluent模拟仿真

Abstract

In the 21st century, in order to deal with the increasingly serious environmental problems, global warming and resource shortage, people pay more and more attention to the development of new energy. Fuel cell is a new energy with great potential.

The flow field plate is an important part of the fuel cell. It can isolate the cathode and anode reactants, provide the reaction gas flow channel, collect the output current, provide the membrane electrode support, and discharge the heat and reaction generated water of the fuel cell system. In this paper, the effect of flow field size on the performance of fuel cell is studied.

In this design, the CFD preprocessing software gambit is used for modeling and meshing, and three flow field size schemes are designed: scheme 1, the channel width and channel bank width are both 1 mm, as the basic scheme for the balance of channel width and bank width; scheme 2, the channel width is increased to 1.2 mm and the channel bank width is reduced to 0.8 mm; scheme 3, the channel width is reduced to 0.8 mm and the channel bank width is increased Add to 1.2mm. Then, three fuel cell models with different flow field sizes were simulated and analyzed by using the fluid dynamics simulation software FLUENT to read and match the models.

The simulation results show that: the change of channel and channel bank width will affect the performance of the cell, the fuel cell with smaller channel width and larger channel bank width has the best performance; the fuel cell with larger channel width and smaller channel bank width has the lowest hydrogen and oxygen concentration; the fuel cell with smaller channel width has the smallest hydrogen and oxygen concentration; the fuel cell with smaller channel width has the best performance The most serious accumulation of water molecules in the battery.

Key Words：PEMFC；Flow field design；fluent simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2质子交换膜燃料电池 2

1.2.1燃料电池的发展历史 2

1.1.2质子交换膜燃料电池的工作原理 4

1.3相关研究现状 5

1.3.1质子交换膜燃料电池研究现状 5

1.3.2质子交换膜燃料电池流场研究现状 6

1.3.3质子交换膜燃料电池流场尺寸研究现状 7

1.4本文研究内容 8

第2章 燃料电池数学模型与仿真建模 9

2.1数学模型的建立 9

2.1.1质子交换膜燃料电池模型的结构 9

2.1.2基本流体力学模型 9

2.1.3电化学反应模型 11

2.1.4极化控制方程 12

2.2燃料电池模型的建立 14

2.3本章小结 19

第3章 性能仿真模拟 20

3.1匹配模型 20

3.2求解计算 21

3.3本章小结 22

第4章 结果与分析 23

4.1电池性能分析 23

4.2组分分布情况分析 24

第5章 总结与展望 29

5.1全文总结 29

5.2研究展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景

能源是国家发展，社会进步，乃至于一切生命活动的根本动力。能源问题在古代常常被人们忽视。近代以来，因为工业化的大规模生产而产生的对大量能源的需求，人们建立起了以化石能源为基础的庞大的能源生产和供应系统。这套系统虽然在历史上发挥了巨大的作用，但也逐渐暴露出了许多问题，尤其是进入21世纪以后，化石能源的不可再生性所导致的能源短缺问题；化石能源在地球上不均匀的分布所导致地国家之间发展不均衡以及国家间的能源争端问题；化石能源在使用过程中大量排放温室气体所导致的全球变暖问题；化石能源产生的大量污染问题。这些问题已经越来越难以忽视，人类社会迫切需要新型能源。

尽管各国很早就开始了对新能源的研究，但直到今天为止，化石能源任在产业中占据绝对主导位置，特别是包括我国在内的广大在发展中国家的产业发展及其依赖于化石能源。人类对化石能源的利用绝大部分是通过热机过程来实现的。热机将燃料的化学能转换成内能再转为为人们需要的机械能。这个过程的效率受到卡诺循环的限制，再加上实际运用的各种限制，热机的能源转化效率较低，考虑到对热机的普遍应用，传统的能源利用方式造成了极大的浪费。而且这个过程会产生大量污染环境的氮氧化物和硫化物等有害物质，还会排放出海量的温室气体，造成全球变暖，不仅危害人们的身心健康，还会影响到整个人类的生存环境。而且随着广大发展中国家工业化的进程，制造行业消耗的化石能源的数量还在不断地增长。与此相对的，人们开始意识到地球上的化石能源是有限的，虽然化石能源的具体产生机理还不清楚，但在短时间内是不可再生的已是公认的事实。人们不得不正视化石能源在不远的将来消失殆尽的可能。因此，开发新的能源不仅仅是因为化石能源所带来的对环境、对人类的危害，更是人类文明想要长久生存下去的唯一选择。

能源问题不仅仅是关于人类如何利用自然，如何发展自身文明的问题，更是人类社会激烈斗争的焦点之一。化石能源在地球上的分布是不均匀的，但世界上任何一个国家的想要富强，就必须进行工业化，在目前的技术条件下，也必然需求大量化石能源。这使得化石能源不仅从长远历史的角度来看对人类文明是稀缺的；从短期来看，许多自身化石能源资源不多的工业化国家，特别是许多发展中国家直接面临着资源短缺的问题。因此世界各国之间为了控制化石能源的资源进行了激烈的竞争。