摘要
航运业在全球运输行业中占据关键地位，船舶排放的二氧化碳以及氮氧化物、硫氧化物总量大，占比高，国内国外出台相关政策法规推动航运业朝节能、高效、环保的方向发展，因此，具有清洁环保优点的燃料电池动力船舶已成为研究热点。燃料电池是一种能量转化装置，具有能量转化效率高的特点。其中质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)具有运动部件少、排出产物只有水、噪声低、无机械部件磨损等优势，被广泛应用于交通运输领域。增强燃料电池内反应气体的质量传输，提高电池内热量以及液态水管理水平，是PEMFC技术发展的关键。 首先，研究阴极侧添加阻块对燃料电池性能的影响。在阴极侧设计添加阻块的波浪流场，通过燃料电池性能测试，确定波浪流场对燃料电池性能提升的可行性，进而探究燃料电池工作温度、增湿温度、阳极流量和阴极流量等操作条件对波浪流场燃料电池性能的影响。实验结果表明，操作条件对燃料电池性能影响显著：增加工作温度有利于减小浓差损失，提升燃料电池性能；增加增湿温度有利于提高燃料电池整体性能。此外，当阳极流量由0.4L/min增大到0.5L/min时，燃料可以显著减小浓差损失提升燃料电池性能，进一步增大阳极流量不会提高电池性能；阴极流量由1L/min增大到1.5L/min时，燃料电池性能显著提升，进一步提升阴极流量对燃料电池性能提升并不明显。 其次，探究波浪流场中阻块的高度和阻块的数量对燃料电池性能的影响。结果表明，燃料电池性能随阻块高度的增加而增强，增加阻块高度可以改变反应气体局部流向和流速，增强流道下氧气质量传输，提升燃料电池性能。燃料电池性能随阻块数量的增加而增强，增加阻块数量导致相邻通道之间的压降增加，加强肋下对流，增强肋下氧气质量传输，提高燃料电池性能。 最后，建立三维两相稳态燃料电池模型，探究阴极添加阻块的波浪流道对燃料电池组分分布、电流密度分布、温度分布以及液态水饱和度分布的影响，揭示波浪流道燃料电池性能强化机理。结果表明，在0.3V输出电压下，波浪流道可以提高氧气质量分数，提高电流密度，同时改善温度分布的均匀性。波浪流道可以提高气体流速，同时显著提高垂直气体扩散层方向流速，强化传质，加强液态水排出，进而提高燃料电池性能。 本文基于质子交换膜燃料电池强化传质，深入探究波浪流场对燃料电池性能的影响，同时探究操作条件对波浪流场燃料电池性能的影响，对燃料电池流场结构的设计和运行条件设置有一定的指导意义。
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