摘要
能源危机、环境污染及温室效应加强了对清洁能源的需求，氢能作为一种高效且几乎不产生温室气体的能源，被视为传统化石燃料的理想替代品。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为汽车能源以及便携式设备的理想选择，是氢能利用领域的重点研究对象。尽管PEMFC具有启动相应迅速、低腐蚀性、应用场景广阔等优势，同时也存在着在实际应用中输出功率密度不足、热失控等问题，而质子交换膜燃料电池气体流道及冷却流道的结构设计决定了反应气体及冷却液的供给能力、分布均匀性以及散热能力，对燃料电池的输出性能、热管理及冷却性能至关重要，因此研究通过优化PEMFC流道结构提升其输出性能以及热管理性能具有重要意义。本文建立质子交换膜燃料电池仿真模型，设计并对比多通道平行叶脉仿生流道燃料电池性能，进而研究叶脉仿生流道结构参数对燃料电池综合性能的影响规律，以此优化新型叶脉仿生流道结构，完成对燃料电池输出性能及热管理性能的提升。这些研究成果为燃料电池的结构优化提供了理论依据，对未来燃料电池技术的发展具有一定的参考价值。 主要研究内容如下： (1)基于提高PEMFC模拟精确性的考虑，建立可同步模拟PEMFC电化学反应与冷却散热的三维、稳态、非等温仿真模型，作为测试及对比全尺寸叶脉仿生流道燃料电池性能的基础。通过与课题组内电池测试数据进行对比完成对仿真模型的验证，模拟结果与测试数据平均偏差1.5%，随后以传统平行流道燃料电池为载体，通过模拟燃料电池操作参数对其性能影响的变化趋势，与文献实验结果完成对应，实现对电池模型有效性的进一步验证。 (2)根据对平行脉植物叶脉结构的调研与总结，设计多通道平行叶脉仿生流道结构，并通过仿真对比其与传统平行流道、单叶脉流道、双蛇形流道燃料电池在相同运行工况下，输出性能、热管理性能及流动阻力方面的差异与优势，并进行原因分析。结果显示，其功率密度对相比上述三种流道类型的燃料电池分别提升27%、15.7%、37%，温度均匀性指数分布降低90%、89%、94%，流动阻力虽高于平行流道和单叶脉流道结构但相比双蛇形流道降低 28.8%。这表明多通道平行叶脉燃料电池在功率密度和温度均匀性方面均表现出优势。 (3)为进一步提升燃料电池综合性能，通过控制变量法以及枚举法，对叶脉数量和夹角对燃料电池性能影响的规律开展研究，优化多通道平行叶脉燃料电池的几何结构。结果显现多通道平行叶脉燃料电池输出功率密度随叶脉数量和角度的增加都出现先增后减的趋势；温度均匀性随着叶脉数量的增加而单调下降，最后趋于稳定，随着叶脉夹角的增加先降低后增加。这表明在一定范围内，对不同的优化目标，存在最优结构组合。经过优化，确定了以功率密度为目标的最佳叶脉结构组合为7叶脉60°夹角，其功率密度较全叶脉结构组合中的最低值高 16.4%；以温度均匀性为目标的最佳叶脉结构组合为9叶脉80°夹角，其温度均匀性指数较全叶脉结构组合中的最高值降低81.9%。
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