樹狀分形流場高溫質子交換膜燃料電池的設計與性能研究.pdf

1、以氫能為燃料的質子交換膜燃料電池具有無污染、高轉化率、適用性強等特點，在固定電源、移動設備和交通運輸方面得到廣泛應用，但低于80℃的工作溫度存在催化劑易毒化、水熱管理復雜等問題，阻礙了它的市場化。高溫質子交換膜燃料電池將工作溫度提升到100℃-200℃，不但可以解決這些問題還可以提高電池的能量轉化效率，但同時也對電池流場設計和材料特性等方面提出新的要求。樹狀分形結構是一種自然優(yōu)化的傳質網絡結構，本文從高溫質子交換膜燃料電池流場設計關注點

2、變化出發(fā)，設計了一種基于樹狀分形結構的流場，使得電池供氣充足均勻，改善反應氣體的輸運特性，提高電池整體性能。
　　本研究主要內容包括：⑴闡述了基于Murray定律的樹狀分形流場的設計思想，根據Murray定律和其推廣公式計算流場尺寸，設計出一種結合平行流場的新的樹狀分形流場結構。⑵建立了基于樹狀分形和傳統(tǒng)平行流場的高溫質子交換膜燃料電池的三維穩(wěn)態(tài)單相模型，并用計算流體力學的數值計算方法對電池的極化曲線、速度場分布、氣體濃度分布、電

3、流密度分布、壓降值及分布進行數值計算和對比分析。仿真結果表明在相同條件下設計的新型樹狀分形流場比傳統(tǒng)平行流場結構的最大輸出功率密度提高了23.9％，同時由氣體分布和壓降云圖可以直觀觀察到具有更均勻的氣體分布和壓降分布。⑶根據高溫下新的材料和實驗特性，設計組裝了基于樹狀分形流場的高溫質子交換膜燃料單電池；搭建了測試平臺進行電池性能測試。電池性能的實驗測試結果和數值計算結果相近，極化曲線和功率密度曲線偏差很小，具有相同的整體趨勢，驗證了設計