摘 要

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。目前质子交换膜燃料电池受到了很大关注，它主要由阴极、膜电极和阳极构成。其中膜电极组由质子交换膜、催化基层和扩散层组成，是电池的核心部件。具有流场的双极板可以为膜电极组提供并分配反应气体并且传导热能，其分配气体的均匀性直接影响电池的发电性能为提高反应气体在流场内分布的均匀性，本论文对燃料电池的流场进行了优化设计，包括点状流场和直流道流场。

对于点状流场，本文对点型流场的形状和点阵列的位置进行了分析，运用COMSOL软件对质子交换膜燃料电池的点型流场分析发现，点型流场中，点的形状和点的分布对气体的分配存在影响，圆柱形点交错分布时，流场的速度和压分配较为均匀。

采用直道型流场可有效降低降低反应气体的流阻，但直流道流场会出现一分多的过度的现象，针对这个问题本文建立了岸平齐和岸提前的直道流场进行了仿真计算。分析发现岸略微提前对流场中气体分配有很大影响，流场的速度和压力分配的均匀性得到明显的改善。

关键词：点型流场；直道型流场；质子交换膜电池；流场板

Abstract

Fuel cell is a kind of power generating device that directly transforms the chemical energy of fuel into electric energy. At present, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has attracted much attention, which is mainly composed of cathode, membrane electrode and anode. The membrane electrode group is composed of proton exchange membrane, catalytic substrate and diffusion layer, and is the core component of the battery. The bipolar plate with flow field can provide and distribute the reaction gas and heat energy for the film electrode group. The uniformity of the gas distribution directly affects the power generation performance of the battery to improve the uniformity of the distribution of the reaction gas in the flow field.

In this paper, the flow field of fuel cell is optimized, including point flow field and DC channel flow field. For the spot flow field, the shape of the point type flow field and the position of the point array are analyzed. The point profile of the proton exchange membrane fuel cell is analyzed by COMSOL software. It is found that the shape and distribution of points have an influence on the distribution of the gas in the point flow field. The velocity and pressure of the flow field when the cylindrical point is staggered. The distribution is more uniform.

The direct channel flow field can effectively reduce the flow resistance of the reaction gas, but the flow field of the DC channel will be over a few excessive. In this paper, the simulation of the model is carried out in advance and not in advance of the DC channel. It is found that the flow velocity in the flow field is greatly influenced by the advance of the bank in the flow field. The uniformity of the pressure distribution is obviously improved.

Keywords：Point Type Flow Field；Straight Channel Flow Field；PEMFC；Flow Field Plate

目录

第1章 绪论 1

1.1背景 1

1.2燃料电池流场的研究现状 2

1.3研究内容 5

第2章 燃料电池流场模型 6

2.1影响模型的因素 6

2.2设计方案 8

2.3模型建立 9

2.4建模过程 9

2.5建立网格 11

2.6COMSOL后处理介绍 12

第3章 燃料电池点型流场的设计优化 14

3.1规则分布点型流场计算分析 14

3.2交错分布点型流场计算分析 15

第4章 直道型流场的设计及优化 18

4.1岸平齐直流场 18

4.2岸提前直流场 19

第5章 结论与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 31

参考文献 33

致谢 35

1. 绪论

1.1背景

世界范围内，由于气候变化，不良健康影响，燃料资源枯竭，安全能源供应、经济和日益紧密的国际立法等问题，发展“无碳”社会的压力越来越大——一个大多数能源来自于可再生能源技术的社会。针对上诉问题，许多人提议在未来的能源经济中将氢作为替代能源载体。因为它在燃烧时或者用作燃料电池时不产生温室气体。燃料电池是一种在不同温度（高达1000℃）下运行的电化学装置，可以持续高效的将化学能（从燃料和氧化剂）转化为电能能量。燃料电池可以分为和多种，包括碱性（AFC），磷酸（PAFC），熔融碳酸盐（MCFC）,固体氧化物（SOFC)和聚合物电解质燃料电池（PEMFC），后者又被称作质子交换膜燃料电池，其效率高达60%，工作温度高达180℃。有两种类型的质子交换膜燃料电池：一种用氢做燃料，另一种用甲醇直接甲醇做燃料，它们都拥有膜电极组件（MEA），这是燃料电池的核心，化学反应发生的地方。MEA是多层膜结构，由质子交换膜以及其两侧的催化层和扩散层（GDL）组成。目前，PEM最有前景的应用是在汽车行业，对公共汽车，小轿车和摩托车的实验越来越普遍。然而其他应用包括便携式，固定或后备电源单元。成本，性能和耐久性仍有待改进，如果质子交换膜燃料电池成为一个可行的替代能源技术。例如，作为一个经验法则，流场板花费燃料电池10%的价格（对于5KWnet电堆是7.7%）却占了整个质子交换膜燃料电池总重量的60%以上。为此，燃料电池堆的重量、体积和成本可以通过优化流场板的结构和使用轻质材料明显减少。不同的材料组合，流场的设计和制造技术已被开发用于实现上述功能的有效制剂，与主体范围获得高性能和经济优势^[1]。

质子交换膜燃料电池作为燃料电池工作温度较低的一种电池，被广泛运用在社会的各个领域。燃料电池的工作过程是直接将化学能转化为电能和热能，没有通过热机中的将化学能转化为热能再转化为机械能的过程。因此它的能量转化效率比一般卡诺循环的效率要高得多。同时燃料电池还具有低噪音、低污染和工作环境温和的优点，所以燃料电池领域在近段时间犹如异军突起，成为了一个潜力很大的发展行业^[2]。

电堆是质子交换膜燃料电池在汽车中运用的最多的部分，电堆是由很多双极板经过一定的排列方式装配起来的。双极板两侧和中部都存在着流道，膜电极组是由催化层、扩散层以及质子交换膜三者组合成，它是质子交换膜燃料电池最重要的部分。流场板作为与膜电极组直接接触的部分，对燃料电池的性能也具有十分巨大的影响，流场板的作用是为膜电极组提供并且分配反应所需要的氢气和氧气，此外传导反应过程中产生的热能，它的结构对质子交换膜燃料电池的整体性能有着至关重要的影响^[3]。

1.2燃料电池流场的研究现状

1.2.1流场板介绍

流场板又被称作集流板、双极板，在电池中，流场板是的核心部件之一。质子交换膜燃料电池的气流通道主要是由流场板构成。它向膜电极组提供燃料和氧化剂，除去水，收集产生的电流，并为堆栈中的单个单元提供机械支持。流场板拥有众多的功能对质子交换膜燃料电池的性能产生巨大影响，例如：

分割电池中的气体；

（2）在阳极和阴极之间提供导电介质；

（3）为反应气体均匀分布提供流场通道；

（4）为电堆提供坚实的机械支撑；

（5）便于水和热量的管理；

一块流场板的流道一般有三个，氢气流道、空气流道以及水流道，氢气流道和空气流道都是与膜电极组直接接触，为膜电极组提供反应所需要的气体，而生成的的水以及冷却的水则会通过水流道来流动。同时流道的尺寸以及形状对燃料电池的排水能力和反应快慢也就是产生电流会有很大的影响^[4]。

1.2.2流场板材料

当然流场板的材料也会影响电池的性能。流场板考虑的材料大致可分为金属或碳基两类。这些材料组可以进一步细分，包括复合材料和涂层金属。最初，金属似乎是流场板最佳材料。它们具有优异的导电性和导热性，低透气性，潜在的低成本，通常易于制造并且可以制造得非常薄（增加质子交换膜燃料电池的功率密度）。然而，金属的主要缺点首先是它们在燃料电池的腐蚀性内部环境中的化学不稳定性。在这种环境下，金属可能形成电绝缘表层并将金属离子浸入膜电极。 另外，它们可以与扩散层具有高的界面接触电阻。目前流场板正在往石墨材料方向发展，石墨可以改善金属板容易被腐蚀的特点，其性能包括良好的导电性，耐腐蚀性和低密度。但是，它也有一些重大的缺点。首先，石墨比较脆而且多孔，因此需要更厚的板和浸渍工艺以保持压缩堆中的完整性，使其不能渗透反应气体。这样做的结果是尽管石墨具有低密度，但板材并不轻。其次，需要冗长的数控加工工艺来制造传统石墨板中复杂的流场通道。最后，原材料和加工过程的综合成本导致主要用作原型得流场板昂贵。

1.2.3流场类型

在燃料电池中，流场的结构决定了气体的流向，除此之外流场板还可以根据流道的设计将反应气体均匀分配到每个流道。所以，对流场进行合理的设计以及将流场结构进行不断优化，可以使燃料电池流场中气体的流速保证一个较大的值，并且将气体分配均匀。因而燃料电池的除水和散热能力增强，以及反应的速度和电流密度都有一个较为理想的结果^[5]。将反应气体均匀地分布在膜电极上的另一个作用是防止电池进水，如果电池进水，反应气体就会被阻绝，无法通过膜电极组参加反应，燃料电池的性能下降。

燃料电池的流场类型很多，下面是比较常见的几种流场：

首先，开口式的流场有点型流场、直道流场和蛇形流场，在这些流场板中，从入口到出口的流动方向都有一个反应物压降。当氢气和氧气流过流动槽，他们进入扩散的扩散层和在膜电极组的消耗造成沿流动通道的气体浓度降低。

在点型和直流道的设计中，因为它们的输入到输出的多路径，反应很容易分布在膜的表面。因此，一个低的压力可以用来推动反应物通过。这将导致由于低的空气压缩而导致低寄生功率损失。然而，这种多重路径设计也使得气体沿阻力最小的路径优先流动。任何堵塞，如水滴的形成，都不可能被排除，因为压力不够沿堵塞的槽，迫使水出来。这种堵塞会导致反应物分布不均匀，燃料电池性能较差。与此相反，单一蛇形设计只有一个长的流动通道与一系列交替180°旋转的气体流过。这种设计的主要好处在于单通道可以确保利用较高的压力除去任何生产的水^[6]。当然单蛇形流场结构的也存在一些问题。首先，需要较高的空气压缩压力，以推动气体通过长的单通道，从而导致高寄生功率损耗。这种长通道也可能导致反应物浓度从入口到出口大幅度下降，从而造成膜电极组活性区电流密度的波动。此外高压会导致由于磁场压力高，由于反应器气流下游携带过多的液态水，导致通道出口附近的水膜脱水。反应物的压力在燃料电池和流场板的性能起着决定性的作用。一方面，低气压有利于避免高寄生损失。另一方面，高的空气压力可以以确保不发生水淹和并且在流场尾端可以保证有足够的气体浓度。因此，最佳压力和最佳折衷是除水所需的最小压力，同时确保反应物分布均匀。蛇形流场的发展正好符合这两种要求。这些包括在入口和出口连接的多个较短的蛇形通道。

在上世纪90年代，摩根燃料电池有限公司（MFCL）开发的“仿生”设计了基于“自然”的流场图案如动物肺和植物组织。设计由大的分支，逐渐变小。他们使用专利electroetch过程而不是电脑数值控制（CNC）加工制造。早期的结果显示16%的燃料电池的峰值功率的提高，然而，流场板的高压降的问题依旧发生了。

交指流场是一种比较新的流场模型，它没有直接连接的入口和出口通道，而是完全依赖于对流机制。

这种对流机制的主要优点是，它扩散层的除水作用比较强和防止了膜电极组的水淹。然而，它也要求高压力迫使气体通过，从而导致更高的寄生损失。研究发现在有足够加湿的情况下，随压力和温度的提高性能也逐渐提高，而且交指流场在低湿方面比蛇形流场反应物更敏感。在任何工况下的电流分布，交指流场更加均匀。两种流场的电流分布都受到反应气体加湿的显著影响。反应气体加湿时交指流场比蛇形流场性能好，当湿度不够时交指流场的性能更差。与蛇形流场相比，交指流场的具有较高的除水能力，但同时也导致了它需要较高的最佳反应气体加湿温度^[7]。

a 迷宫流场 b点状流场 c直道流场

d交指流场 e树状流场 f 肺状流场

图1.1 几种典型流场^[8]

1.3研究内容

随着环境问题的出现，用质子交换膜燃料电池代替现用能源，就必须实行商业化量产，所以需要解决安全性和成本的问题。想要解决这些个问题，就要从两方面入手，首先要解决膜电极组的问题，研发合理的催化剂以及替代品降低膜电极组的成本。再者是解决流场板的问题，在保证流场板结构强度的前提下，设计合理的流道以及选择合适的材料来优化电池，使得电池在轻量化和寿命上有一个巨大的提升。本文主要是对流场结构的优化方面进行分析研究。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^[9]。

研究内容主要如下：

1. 建立了交错点型流场和规则点型流场，比较了两种流场在气体分配排水能力上的优劣性，并且进行了改进设计。
2. 建立了直流场的岸平齐和岸提前的两种模型，并且对岸提前的每一管进行了分析，得出了该模型下气体分配均匀的具体尺寸。

第2章 燃料电池流场模型

2.1影响模型的因素

随着反应环境和操作条件的不同质子交换膜燃料电池的流场有不同的要求。流场的设计需要考虑诸多方面的影响。

影响流体的分配均匀和水的流动性的主要是流道的几何结构。它们对燃料电池的整体性能有较大的影响^[10]。流道的基本尺寸如图2.1所示。特征参数包括流道宽w、流道深度d、流道倾角e和岸宽l。倾角的大小可以增加气体与膜电极组的接触面积。岸的高度和肩的宽度可以用来改变接触面积，使得气体的流速以及气体的分配受到影响。

图2.1 流道的基本尺寸

质子交换膜燃料电池流场的除水除了靠气体的方推动的式式，进出口的压力差也可以增强电池的除水能力。合理的压差对燃料电池的性能影响很大，如果压差过大，会使电池功率损失过大，电池性能下降；压力过小又会使电池的除水能力降低，导致电池水淹，性能下降^[11]。管道内部气体的流速不均匀也会的电池产生很大的影响，如果沿着扩散层流动的气体的量大大超过沿着流道流过的量时，就会出现反应气体不足的现象，表现出来就是电池内阻过大，电池的性能会大幅度下降。另外气体短路常常发生在压差较大的相邻流道间在气体流速较大时。发生气体短路时，它的流速会大大减小，致使反应过程中产生的水无法及时排出流道，严重时会导致电池水淹，对电池的性能有着很大的影响^[12]。

在设计流场时，应该在保证气体流速较高时将气体分配均匀^[13]，以增强排水能力和避免电池短路。据此，可以设计一分多的过度流场，通过岸与壁面的距离来将流体分配均匀，同时，它对膜电极的支撑作用十分有利的^[14]。

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