树状分形流场高温质子交换膜燃料电池的设计与性能研究

以氢能为燃料的质子交换膜燃料电池具有无污染、高转化率、适用性强等特点,在固定电源、移动设备和交通运输方面得到广泛应用,但低于80℃的工作温度存在催化剂易毒化、水热管理复杂等问题,阻碍了它的市场化。高温质子交换膜燃料电池将工作温度提升到100℃-200℃,不但可以解决这些问题还可以提高电池的能量转化效率,但同时也对电池流场设计和材料特性等方面提出新的要求。树状分形结构是一种自然优化的传质网络结构,本文从高温质子交换膜燃料电池流场设计关注点变化出发,设计了一种基于树状分形结构的流场,使得电池供气充足均匀,改善反应气体的输运特性,提高电池整体性能。本文主要工作如下:(1)简述了基于Murray定律的树状分形流场的设计思想,根据Murray定律和其推广公式计算流场尺寸,设计出一种结合平行流场的新的树状分形流场结构。(2)建立了基于树状分形和传统平行流场的高温质子交换膜燃料电池的三维稳态单相模型,并用计算流体力学的数值计算方法对电池的极化曲线、速度场分布、气体浓度分布、电流密度分布、压降值及分布进行数值计算和对比分析。仿真结果表明在相同条件下设计的新型树状分形流场比传统平行流场结构的最大输出功率密度提高了23.9%,同时由气体分布和压降云图可以直观观察到具有更均匀的气体分布和压降分布。(3)根据高温下新的材料和实验特性,设计组装了基于树状分形流场的高温质子交换膜燃料单电池;搭建了测试平台进行电池性能测试。电池性能的实验测试结果和数值计算结果相近,极化曲线和功率密度曲线偏差很小,具有相同的整体趋势,验证了设计的树状分形流场优良的传质输运特性。燃料电池的流场结构决定着反应气体的输送和分布,对电池性能具有很大影响。本文设计的新的对称树状分形流场结构,达到了减少流阻和均匀分布反应气体的目的,提高了电池内部反应气体的输运特性,提高了电池的整体性能,对高温质子交换膜燃料电池新的流场设计具有参考意义。