摘要
氢能作为一种清洁无污染、热值高、来源广泛、可储存的能源，是当今新能源行业研究的热点，而作为氢能的一种高效的利用装置，质子交换膜燃料电池(PEMFC)越来越多地受到人们的关注。流场是PEMFC研究的重点之一，优秀的流场设计可以提高电池在高电流密度下的除水的能力，使电池的电流密度、反应气和温度分布更加均匀。并且，在PEMFC制造成本不变的情况下，合理的流场设计可以提升PEMFC的输出性能，增加电池工作的稳定性和可靠性，延长电池的使用寿命。本文以传统的蛇形流场为基础，通过CFD数值仿真技术研究了流道截面形状及尺寸对流场性能的影响，并考虑流道内反应气的消耗问题设计了多级蛇形流场，分析了不同工作参数对多级蛇形流场性能的影响，研究成果将为蛇形流场的优化和流场最佳工作条件设置提供参考和建议。本文主要得到了以下成果和结论: (1)研究了流道截面形状和尺寸对单流道蛇形流场性能的影响。工作条件相同时，配置三角形截面蛇形流场的PEMFC具有最高的电流密度，其次是梯形，最后是方形，但是三角形截面对应的压降也最大。流道截面为矩形时，PEMFC的输出电流密度及其分布均匀性随着流道高度的增加而减小;同时，电流密度(宽度为1.1mm时，对应最大的电流密度)及其分布均匀性(宽度为1.3mm时，对应最均匀的电流密度分布)随着流道宽度的增加先增大，后减小。 (2)分析蛇形流场中反应气消耗引起PEMFC电流密度分布不均的问题，设计了多级(multi)蛇形流场。对比传统流场，配置multi-s流场的PEMFC平均功率密度相比3s和5s流场分别提高了0.687％和1.256％;配置multi-pis流场的PEMFC平均功率密度相比3pis和5pis流场分别提高了0.326％和1.829％。在高电流密度区间，多级蛇形流场设计对PEMFC的性能提升更为明显。 (3)研究了操作参数变化时，配置六种不同流场的PEMFC性能的变化情况。随着进气湿度或工作温度的增加，PEMFC的输出电流密度均先升高，后降低，存在最佳操作参数值。并且，在不同流场配置下，PEMFC对参数的变化具有不同的响应能力，对应的最佳操作参数也不同，multi-s和multi-pis流场在较大的工作参数范围内始终对应最高的输出电流密度和电流密度分布均匀性。 (4)研究了结构尺寸对多级蛇形流场性能的影响。在本文设置的六种多级蛇形流场配置中，流场的分组组数越多，组间流道数量差值越大，其性能越好。对于multi-pis流场，反应气汇合-分离流道宽度d越小，PEMFC的电流密度越大，电流密度分布也越均匀，但是相应的压降也越高。
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