摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种采用氢气和氧气作为燃料，无需燃烧即可将化学能直接转化为电能的清洁能源装置，其反应副产物主要为水，具有高效率、低噪声、无污染等优点。根据运行温度的不同，可将PEMFC分为两类，分别为运行温度在120℃-160℃的高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）和运行温度在50℃-80℃的低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFC）。 阴极气体扩散层（GDL）作为PEMFC膜电极的重要组成部分之一，其孔隙率是影响电池内反应气体、电子、液态水和热量的传递关键因素。考虑到运行温度的不同使得HT-PEMFC和LT-PEMFC内水的存在形式不同，本文分别对这两种PEMFC建立三维数值模型并进行了相应的模型验证。随后基于变分原理，从阴极气体扩散层的孔隙率优化的角度实现了两类燃料电池的性能优化。 针对HT-PEMCF，建立了三维稳态的等温数值计算模型，以阴极GDL的平均孔隙率为约束条件，氧气传质量为优化目标构建泛函。结合变分原理，获得了阴极GDL中氧气传质量最大对应的最优孔隙率分布控制方程。通过数值软件FLUENT的求解，从理论和数值上实现了对HT-PEMFC阴极GDL孔隙率分布的优化。考虑到设计的可行性，提出平面内非均匀布置和沿厚度方向线性梯度布置的七种设计方案，进一步验证了变分优化所得的三维孔隙率的有效性。 针对LT-PEMFC，建立了三维稳态的非等温数值计算模型，在保持阴极GDL的平均孔隙率不变的前提下，以GDL中的水饱和度为优化目标构建泛函。基于变分方法，推导出阴极GDL中含水量最少时，孔隙率需要满足的控制方程，求解相关方程，实现了LT-PEMFC阴极GDL孔隙率分布的理论优化。优化结果与沿厚度方向的线性梯度分布进行了对比，验证了优化模型的可靠性。
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