目的及意义

选题背景及意义

可再生燃料电池（RFC）将水电解技术(电能 2 →2 )与燃料电池技术(2 →2 电能)相结合, 燃料电池的燃料、氧化剂可通过水电解过程得以“再生”, 从而起到蓄能供电双重作用。从RFC工作原理可知, RFC技术主要由4个部分组成 :(1)燃料电池子系统, 将、的化学能直接 转化为电能 ; (2)水电解子系统, 将燃料电池生成的水利用外部电能重新电解; (3)反应物储罐, 用于储存高压、和水 ; (4)电源调节及控制子系统。根据可再生燃料电池系统中燃料电池子系统和水电解子系统两个功能部件的不同组合, 一体可再生燃料电池是在同一组件上既可以实现燃料电池功能又可以实现水电解功能的储能系统,大大提高了可再生燃料电池的体积和质量比功率及比能量。近年来开发出的以氢氧燃料电池为基础、结合水电解技术和太阳电池的可再生燃料电池系统，能为航天器提供超过20kW的功率输出和20天或更久的持续供电能力，比传统太阳电池－蓄电池体系拥有更优良的工作特性，特别适合于太阳极轨探测器、大型载人空间站、月球基地等要求高输出功率、长持续工作时间的航天器。

在可再生燃料电池中流场起关键性作用，它的基本功能是引导反应剂流动方向，确保反应剂均匀分配到电极各处，同时能及时排出电池运行过程中的生成物。而双极板表面流场形式决定了反应气与生成物在流场内的流动状况，因此双极板表面流场形式对燃料电池性能及运行效率均有重大影响，合适的流场设计能使燃料电池功率密度提高50%左右。流道的设计对燃料电池的燃料分布有着重要的影响，合适的流道在提高燃料电池性能的同时能降低电池的水淹情况，提高燃料的利用率.

国内外现状分析

目前，在燃料电池中双极板占了大部分尺寸和重量。所述的板材由抗腐蚀、导电性能好、抗气体渗透强、强度高、热传导性好的材料制成。同时这种材料也应该易加工，成本低廉。流场设计中，物料被切割成双极板，这为反应气体流向反应区创造了一条通道。从燃料电池技术产生以来，人们就对流场进行了大量研究，目前常规流场有直通道、蛇形、交指型等，同时也在不断开发新型流场，如仿生流场、螺旋流场、3D流场等。

直流道为最基本的直通道流场。其具有相互平行的流场通道，流程距离短，进出口压损小，通道并联有利于反应气体以及冷却水在通道内的均匀分布，能实现电流密度及电池温度的均匀分布。同时结构简单，易加工。其缺陷是反应气体在直流道中存留时间短，气体利用率低，流速相对较低，产生的水不能及时排出，易造成堵水。相比平行流道，变截面流道有利于增大电流密度和最大功率密度。将流道内部为周期性变化的起伏波浪形结构的流场，可以提高反应气体流速和催化剂的效率，能增加气流扰动，增强传质。而多蛇形通道流场兼有直通道和单蛇形通道的优点，即使单根流道堵塞，其他流道也会发挥作用，同时相同活性面积采用多通道有利于减少流道的转折，可有效降低压力损失，保证电池的均匀性。

除了最常见的直通道、蛇形、交指型等流场，新型流场也在不断问世。这其中有点状流场、网状流场、基于仿生学的仿生流场、螺旋流场等。

陈涛的研究以植物叶脉为基础，通过仿生相似性原理设计出基于植物叶脉结构的质子交换膜燃料电池流场板。通过仿真表明: 改变分支的位置以及增加分支数目可提高 PEMFC 的性能。为使 PEMFC 性能更优，考虑结构对制造成本的影响，在原有结构的基础上设计出更接近于叶脉形状的新型流场结构，并与平行流场进行比较，发现改进后的结构比平行流场产生的欧姆热量少，大大削减了极化现象的发生。

目前燃料电池双极板外形大都是矩形，在某些特殊领域圆形燃料电池比矩形燃料电池更适用，有较高的体积电流密度，因此有必要建立新的双极板模型。涂正凯等人在13年申请了圆形燃料电池双极板专利。其目的是在传统燃料电池的基础上提高体积电流密度。为实现上述目的，他们的的技术方案为：一种圆形燃料电池双极板，由空气板和氢气板相对结合构成。所述的空气板和氢气板均由圆形平行流道、气体扩散腔以及冷却流道三部分组成，两板与膜电极接触的圆形平行流道相互对应。两板的冷却流道相互对应形成蛇形流道。