摘要
质子交换膜燃料电池（PEMFC）能够将化学能转化为电能，利于环保、可以低温启动、而且响应迅速、使用可靠、能量利用率高，被应用于军事，汽车以及发电领域。PEMFC由质子交换膜，催化剂层，气体扩散层，双极板构成，其中，双极板具有支撑膜电极、分隔传输气体、传输气体导流、导电、散热和排水等功能，合理的双极板流场结构不仅可以提高PEMFC的电化学性能、而且还能获得均匀的水浓度分布和氧气的浓度分布以及低的压降。因此，合理的双极板流场结构设计是PEMFC装置的完成高效能量转换的关键。 除了合理的流场结构，双极板的材料选择和加工方式也对其性能有着重要影响。主要应用的材料有石墨，金属和复合材料，金属材料因为拥有优异的抗振动性和导电性，而且便于加工、成本低，成为研究的热点材料。目前，制造金属双极板的主要方法为冲压、液压成形、橡胶垫成形、热成形、电磁脉冲成形等。冲压可以实现大批量生产，然而模具和设备的成本太高。橡胶垫成形加工时间短，然而需要经常更换橡胶冲头。热成形多应用于不易成形的高强度钢，金属双极板则很难成形。电磁脉冲成形可以提高金属材料的塑性，然而双极板却无法与模具之间准确贴合。液压成形的双极板精度高，壁厚分布均匀，成形工序少，加工成本低。 本文设计了一种径向螺旋槽金属双极板结构，利用数值模拟对径向螺旋槽流场的性能进行了研究，并在此基础上采用实验分析方法对板材液压成形工艺进行了研究。 课题的主要研究工作如下： 1.新型径向螺旋槽流场结构设计。 设计了一种新型径向螺旋槽流场结构，并通过数值模拟方法对该流场结构的性能进行对比分析，包括新型径向螺旋槽结构与平行流场、蛇形流场和螺旋流场结构在电化学性能、水浓度、氧气浓度、压降等方面的性能。结果显示所设计的新型径向螺旋槽结构与平行流场的电化学性能基本一致，在阴极流道内水的平均浓度低于平行流场和螺旋流场，高于蛇形流场，拥有较为良好的排水性能；在阴极流道内氧气的平均浓度高于平行流场和螺旋流场，低于蛇形流场，在一定程度上改善了流场的传质性能。此外，与其他三种流场结构相比，径向螺旋槽流场拥有最小的压降，这极大的减小了功率损失，提高了PEMFC的能量利用效率。 2.金属双极板液压成形工艺研究。 利用板材液压成形工艺制造了金属双极板样件，从成形轮廓，壁厚分布，金相以及硬度变化等方面初步探究了金属双极板的液压成形性能，试验金属双极板样件的尺寸误差为2.6%，在预期误差之内，样件未出现起皱，拉裂等严重的制造缺陷，初步验证了金属双极板液压成形工艺的可行性。
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