摘 要

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够在太空环境下提供比传统太阳能-蓄电池系统提供更好的工作特性。流场决定了燃料电池的内部的物料分配，直接决定着电池的性能。新型流场在一定程度上保留了传统流场中的流道的基础上，通过改进流场的结构达到提升电池性能的目的。

本文针对可再生燃料电池的新型流场，通过Fluent软件进行仿真模拟，计算流场结构和尺寸变化对流场气体分布的影响。

本文对可再生燃料电池和流场结构的分类进行了介绍。分析可再生燃料电池圆形流场本身存在的不足之处，并提出了对流场进行了优化，提出了三种优化方案，包括圆柱形点状流场、同心圆形流场叶脉形流场。

对于圆柱形点状流场，运用Fluent软件分析后发现，点的位置分布对气体的分配产生重大影响，交错型优于规则型。导流装置的设置也应该考虑到占用面积和加工难度的影响，合理设置。

对于同心圆流场和叶脉型流场，应该从多角度分析问题，采用改变主流道宽度等方法对流场结构进行优化，得出最优解决方案。

关键词：可再生燃料电池；新型流场；流场板

Abstract

Renewable fuel cell systems based on hydrogen and oxygen fuel cells, combined with water electrolysis technology and solar cells can provide better performance in space environments than traditional solar-battery systems. The flow field determines the internal material distribution of fuel cell and directly determines the performance of fuel cell. The new flow field retains the traditional flow passage to a certain extent and improves the structure of the flow field to improve the battery performance.

In this paper, for the new flow field of renewable fuel cell, Fluent software was used for simulation to calculate the influence of flow field structure and size changes on the gas distribution in the flow field.

This paper introduces the classification of renewable fuel cell and flow field structure. This paper analyzes the shortcomings of the circular flow field of renewable fuel cell, and proposes three optimization schemes, including cylindrical point flow field and concentric circular vein flow field.

For cylindrical spot-like flow field, Fluent software was used to analyze and found that the location distribution of points had a significant impact on gas distribution, and the staggered type was better than the regular type. The setting of diversion device should also take into account the influence of occupied area and processing difficulty and set it reasonably.

For concentric flow field and vein flow field, the problem should be analyzed from multiple perspectives, and the structure of the flow field should be optimized by changing the width of the main flow channel, so as to obtain the optimal solution.

Keywords: renewable fuel cell; New flow field; Flow field plate

目 录

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2燃料电池流场板简介 1

1.3可再生燃料电池简介 2

1.4流场设计 2

1.4.1传统的流场设计 2

1.4.2新型流场设计 3

1.5研究内容 7

第2章 燃料电池流场模型 9

2.1 设计模型是考虑的主要因素 9

2.2设计方案 9

2.3模型理论基础 11

2.4模型建立和分析 11

2.4.1建模过程 11

2.4.2网格的绘制 12

2.4.3FLUENT后处理介绍 12

2.5可再生燃料电池新型流场的初始模型 13

第3章 燃料电池点状流场的设计优化 16

3.1规则分布点状流场 16

3.2交错分布点状流场 18

3.3增加导流的点状流场 19

3.4改进导流装置的点状流场 22

3.5通过减少导流区域的宽度改进导流区的面积 24

3.6小结 24

第4章 燃料电池同心圆状流场的设计优化 25

4.1等距同心圆流场的设计 25

4.2缩小最小半径的等距同心圆流场的设计 27

4.3依次缩小主流道半径的等距圆形流场 29

4.4符合Murray定律的流场 29

4.5小结 31

第5章 燃料电池叶脉状流场的设计优化 33

5.1叶脉型流场的初始设计 33

5.2增加导流的叶脉型流场 36

5.3小结 38

第6章 结论与展望 39

6.1结论 39

6.2展望 39

参考文献 41

致谢 43

第1章绪论

1.1课题背景

当今世界，和平与发展成为时代的主题。随着气候变化的不断加剧和传统能源的储量不断下滑，能源和环境成为了人类社会关心的人们话题。

在对环境问题的不断探索中，燃料电池走进了科学家的视野。时至今日，燃料电池已经有了七十余年的发展历史。在漫长的发展过程中，燃料电池的发展方向不断细化，产生了诸多电池种类，其中,包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐电池、直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃料电池、以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池以及以为氢气燃料的质子交换膜燃料电池。目前是发展得最成熟的碱性燃料电池技术。质子交换膜燃料电池在20世纪80年代开始快速发展,在便携式电源和机动车电源方面得到了广泛应用。

1.2燃料电池流场板简介

质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池利用聚合物薄膜作为电解质，不经过热机过程，不受“卡诺循环”的限制，能量转化效率高，达到了40%~60%不产生硫和氮的氧化物，二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少40%以上^[1]，具有高效、清洁、无噪音、工作温度广泛、电池可快速启动等优点，是目前最有希望应用于便携式电子设备、汽车和小型住宅的动力电源，市场前景十分可观^[2] 。

流场板是燃料电池的核心部件，也被称作双极板。在双极板上加工的连通入口和出口的沟槽称为流场。流场为混合气体的均匀分配提供流通通道，决定混合气体的流动状态。同时排出反应生成的水，收集产生的电流，同时为膜电极和电池堆提供机械支撑，保证了电池堆结构的稳定性，为水和热量的管理创造了有利条件。合理的流场结构使电极各处均能获得充足的反应气体并及时将生成的水排出电池，对 PEMFC 性能的发挥有很大影响。

目前，制造双极板的材料主要有：石墨材料、金属材料以及复合材料。这些材料都具有导电、散热、阻气及抗腐蚀等性能^[3] 。

石墨材料具有低密度、高导电性和良好的耐腐蚀性，是最早应用的双极板材料。但石墨的机械强度较低，脆性大使得石墨双极板需要制成足够的厚度才能满足双极板的机械强度，这就限制了石墨双极板的商业使用范围。且石墨的可制造性、阻气性和耐久性等均不如金属材料。且金属材料导电性和机械性方面优于石墨，加工方便且成本也相对较低。涂有复合材料图层的金属板在燃料电池中的应用不断增加。

1.3可再生燃料电池简介

作为一种新型的储能电池，可再生燃料电池 RFC(Regenerative fuel cell)具有极高的比能量，可高达 400～1 000 Wh/kg，是目前最轻的高能可充电池比能量的几倍，且具有使用中无自放电，无电池容量限制等优点。对质量要求非常严格的高空长时间航行时太阳能飞行器要求储能装置的比能量在 400 Wh/kg以上，目前只有 RFC 系统可以满足要求^[4,5,6]。

可再生燃料电池高空和太空环境下有着广泛的使用。其工作原理如下：在光照期，通过太阳能电池提供电能，电解水制取氢气和氧气，经分离除湿后储存在储罐中；在阴影期，燃料电池使用储存的氢气和氧气发电，满足载荷需求。整个反应过程唯一的产物水经收集后储存在储水罐中，可以通过电解产生氢气和氧气供燃料电池反复使用，实现物质和能量的循环利用^[7]。

一体式可再生质子交换膜燃料电池(UR-PEMFC)技术致力于实现水电解组件与燃料电池组件的功能由同一组件实现。然而，UR-PEMFC的可行性主要受到其再生效率较低的限制。空气侧电极反应缓慢、性能和稳定性较差和较高的材料成本限制阻碍了这一类燃料电池的发展^[8]。通过设计和开发有效的双功能电极材料和并对流场板的运行方式以及运行条件进行性能优化，提高在实际应用中的稳定性，一体式可再生燃料电池将在未来的太空领域取得广泛的应用^[9] 。

图1.1一体式可再生质子交换膜燃料电池模型

1.4流场设计

1.4.1传统的流场设计

传统的流场经历了长时间的发展，有了更为成熟的应用。他们的类型和特点如下：

（1）平行流道对气体的流动阻力较小，因此压降较低。但在气体低流速时，液态水不容易排出，排水能力差，容易造成单一流道被水堵塞，引发水淹现象。

（2）蛇形流道能在发生水淹后产生较大的压力，迅速将流道积聚的水排出管道，不易出现堵塞流道的情况。但在流道过长或过于曲折的情况下，流道压降过大时，流道后段气体供应不足导致电池的工作效率低下。

（3）螺旋流道的排水功能强，气体在流道中的分配较均匀，但其压降大，气体在大的流动阻力下可能直接通过扩散层，引发流道短路，使气体无法正常分配。

（4）网格流道的保湿能力强，但流体流动均匀性差，排水能力较低。

（5）交指流道可以使气体在流场内得到充分扩散，排水功能强，但压降较大。

（6）分形流道能够在提高流体分布均匀性的同时能最大程度地降低压降。但缺点在于加工复杂，设计难度较大^[10]。

图1.2 常见的传统流场模型

为了综合上述流场的优势，扬长避短，可将流场板划分为三块，流道的入口设计偏向三口异测分布，过渡区采用点状流场，反应区以直流道和蛇形流道为主^[11] 。

1.4.2新型流场设计

将传统流场进行相互结合，可以设计出全新的流场。Wen Dong-Hui提出了一种交叉流场以减小反应介质和产物的阻力，该流场在反应介质的均匀分布和反应产物的排出等方面均优于蛇形流场^[12] 。

图1.3 交叉形流场

通过研究发现，人们会对自然界中的诸如树、根系、叶的脉络、河岸、闪电、血脉、神经网络等生命和非生命系统的各种部形状和内部结构留下深刻印象。“物竞天择，适者生存”。透过达尔文的进化论，不难推测自然中的物种都是经过优胜劣汰筛选过的胜利者，自身具有着一定的优越性，体内所使用的结构包含着自然选择中的最优或接近最优的结构。自然界中的传质或传热机构( 如动物肺和树叶等) 被认为是一种自然优化的强化换热和传质的网络流道，具有均匀的微管分布，并有利于能量和物质的传递运输^[13]。从自然中汲取灵感形成的仿生流场成为新型燃料电池的重要发展方向。

叶脉是植物分配营养物质的主要结构。当叶片生长到一定阶段后，为了使营养物质得到均匀分配，一级叶脉在营养需求最高的区域建立分支。这些分叉点的位置都是近乎最佳的选择，能够在服务体积不变的情况下保持最小的能量损失。运用仿生学原理建立一种基于叶脉结构的流场可以实现燃料电池的最佳结构。

图1.3 自然界中的叶脉模型

图1.4 叶脉形流场模型

动物的肺能够高效地将空气分配到肺泡，并快速将其排出体外，是一种优秀的传质网络流道。基于这种特性，肺形流场是新型流场的重要研究方向。

图1.5 肺形流场模型

Chen Y等^[14]通过对树状流场和传统蛇形流场的层流热传导能力和压降特性进行比较,表明树状流场在一定程度上优于蛇形流场。) 树状分形流场在大电流密度下时，物质传输速度比较大，更多的水在阴极生成，且流场和扩散层中的氧气浓度要比低电流密度时低 ^[15] 。

图1.6 自然界中树根形状

图1.7 树形流场模型

董涛等^[16]设计的了蜂窝状分形流场,比传统平行阵列流场具有更低的流动压降。

图1.8 蜂窝状分型流场模型

由于目前燃料电池双极板大都为矩形。为适应可再生流场普遍应用于航天领域，在空间利用方面有较高需求。在一些情况下圆形燃料电池比矩形燃料电池更为适用，产生较高的体积电流密度^[17]，因此有必要在矩形流场板现有的设计基础之上验证其在圆形流场中的应用可行性并对其性能进行仿真模拟。由流场外轮廓的改变导致的流场板创新设计也为新型流场的发展注入了更过新鲜血液。倪红军等^[18]对通过圆形直接甲醇燃料电池阴极涂覆装置的设计，表明尽管圆形流场在自动化生产时具有一定难度，这些问题能够得到有效解决。

图1.9 圆形流场模型

1.5研究内容

整个电堆中流场板成本占60%，重量占80%，对流场板进行研究可以优化电池性能，有着很重要的意义^[19]。在保证流场板机械强度的前提下，通过设计合理的流道结构以及选择合适的材料来优化流场板，使得整个电池堆在制造成本和轻量化上方面的到改善。这是燃料电池的一个重要的发展方向。

本文主要研究内容是从圆形流场展开的，主要目的是设计出结构合理，具有良好气体分配能力和排水能力的新型流场。本文运用三维建模软件设计出新型流场模型，并利用有限元软件进行仿真分析，在实现反应气体的平均分配的同时，通过控制变量的方法对新型流场的优化方法进行探索。

主要完成的内容有：

基于CATIA软件建立起圆形流场的三维模型。

基于Mesh软件，选取合理的网格尺寸建立网格离散，通过Fluent软件完成有限元分析。

建立平行点状流场、交错点状流场、增加导流装置的点状流型，通过比较气体分配能力，并对模型进行改进。

建立等距同心圆模型，通过改变圆心圆柱的大小、改变主流道宽度、将Murray分支定律应用于模型，得出该型流场的流体分配情况并提出对优化方向的建议。

建立叶脉型流场模型，通过对各主流道上的流量进行比较，得出在流体在流场中的分配规律。

第2章 燃料电池流场模型

2.1 设计模型是考虑的主要因素

燃料电池的流场是由岸和流道构成的。合理的流场结构能够有效的引导反应气体，确保其能够分配到电极各处并及时将反应中产生的水排除，以保证燃料电池稳定的工作，表现出较好的性能。

岸直接与电极直接接触，起到支撑和收集电流的作用。而流道的几何结构将直接决定流体的分配和流质的流动性。流道的基本尺寸由流道宽度、深度、倾角和岸的宽度决定。可以通过改变流道的基本尺寸来控制气体与膜电极的接触面积，改变气体的流速和分配情况。管道内气体流速分布会对电池性能产生直接影响。当气体多数沿扩散层流动而不沿流道继续前进，局部将会出现反应气体不足的现象，电池内阻大幅提高，性能下降。

阴极的水淹问题是阻碍燃料电池商业化的主要障碍之一，严重影响电池的工作稳定性。在质子交换膜燃料电池中，小水珠在阴极侧形成，集中扩散层与脊的夹角处以及流道的拐角处造成水淹，在阴极隔离氧化剂与催化层的接触，造成反应的局部停止^[20，21]。

但燃料电池中水的地位不可或缺。因为在燃料电池的质子交换膜中电导率与膜的含水量存在一定的比例关系，氢离子扩散需要水。如果膜变干燥，氢离子在膜上无法传导，电池无法维持正常工作。如果膜上水过多会，则会发生水淹。因为在阴极侧反应会生成水，淹没电极，阻塞流道和气体扩散层。氧气无法及时扩散到催化剂层，使电池性能下降，甚至使电池丧失工作能力。综上所述，电池需要控制混合气的湿度且尽可能让水分布均匀。为了使电池达到最佳性能，设计流场时要着重考虑水管理问题。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：