论文总字数：18490字

摘 要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)以其高能量转换效率、高功率密度、零环境污染等优点，被认为是21世纪交通运输、稳定电站、潜艇、航天器等领域最有前途的清洁能源之一。燃料电池水管理是影响燃料电池使用性能，使用寿命，稳定性的关键问题。本文通过FLUENT软件对流道内水运输状况进行仿真模拟，考虑各种影响流道水传输的因素，并分别进行模拟计算。在不同的情况下，流道中的水会有不同的形式。一般情况下是水滴，当电流密度大时，会出现水膜，水膜和水滴的运动状况并不相同。改变壁面接触角、流道尺寸、流道截面形状，气体流速来观察液态水不同的运动状况并分析得出结论。

关键词：质子交换膜燃料电池；流道；形貌特征；水运输

Abstract

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), with its high energy conversion efficiency, high power density and zero environmental pollution, is considered as one of the most promising clean energy sources in the fields of transportation, stable power stations, submarines and spacecraft in the 21st century.Fuel cell water management is a key issue affecting fuel cell performance, service life and stability.In this paper, FLUENT software was used to simulate the water transport in the flow channel, and various factors affecting the water transport in the flow channel were taken into account, and the simulation calculation was carried out respectively.Under different circumstances, the water in the flow channel will have different forms, usually water droplets. When the current density is high, there will be water film, and the movement of water film and water droplets is not the same.Change the contact Angle of the wall surface, the size of the flow passage, the shape of the flow passage section, and the gas velocity to observe the different motion conditions of liquid water and draw conclusions through analysis.

Key words: Proton Exchange Membrane Fuel Cell; flow channel; Appearance characteristics; Water transport

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2研究现状 1

1.3主要研究内容 1

第2章 模拟计算 3

2.1建立VOF模型 3

2.2流道模型和边界条件 3

2.2.1流道模型 3

2.2.2边界条件 5

第三章 液滴运动结果分析 6

3.1不同结构流道中液滴的运动情况 6

3.2不同流道截面对液滴运动情况的影响 7

3.3不同润湿特性对液滴运输情况的影响 10

3.4不同气体流速对液滴运动情况的影响 11

3.5流道的长度对于水滴运动状况的影响 12

第4章 液膜在流道中的运动 14

4.1直流道内不同气体流速下液膜的运动 14

4.2蛇形流道内不同气体流速下液膜的运动 15

第5章 有进水口的流道中液态水的运动 19

5.1空气进口速度对流道内液态水传输的影响 19

5.2液体进口尺寸对流道内液态水传输的影响 21

5.3流道壁面改性对流道内液态水传输的影响 21

第6章 总结与展望 23

6.1总结 23

6.2展望 23

参考文献 25

致谢 27

附录 28

第1章绪论

1.1引言

传统能源在燃烧过程中会释放出灰尘，一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫等有毒有害物质，会对我们的环境造成很大的危害。被普遍应用的汽油，柴油等燃料燃烧的效率会受到卡诺循环的限制。加上温室效应引发的愈来愈多的环境问题。经济进步的同时，我们的环境也正在逐渐被破坏，开发新型清洁能源已经是迫在眉睫^[1]。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量转换效率、高功率密度、零环境污染等优点，被认为是21世纪交通运输、稳定电站、潜艇、航天器等领域最有前途的清洁能源之一^[2]。

燃料电池的出现，会为社会带来许多好处，首先它可以降低我们使用化石能源产生的污染，为我们保护自然环境出一份力；同时它是一种新型能源，为人类未来使用能源奠定基础；同时燃料电池的转化率很高，它可以降低能源的浪费。

质子交换膜燃料电池是一种靠氢气与氧气反应生成的能量来工作的电池。在工作时，从电池阳极通入H₂，阴极内通入O₂或空气，气体通过扩散层在燃料电池内部产生电化学反应。H₂在阳极产生H 和电子，H 通过水合作用向阴极传输，在阴极与O^2-形成H₂O^[3]。

燃料电池水管理是影响燃料电池使用性能，使用寿命，稳定性的关键问题。水产生在阴极上，如果有过量的水没有及时从通道中排除，会导致水滴泛滥出现水淹的现象，并阻止气态氧向电化学活性部位的传输^[4]。结果，不仅可能出现不规则的电流分布和性能损失，而且可能会增加退化速率和不稳定运行；如果水含量过低，会导致燃料电池内部缺水，影响燃料电池的运行^[5]。

1.2研究现状

随着计算机的功能越来越强大，数据分析软件可以计算的东西也越来越多,计算结果越来越精确,同时也不会因实验的条件受限。因此研究开始采用计算流体力学的对燃料电池工作过程进行模拟计算^[6]。近年来三维模拟成为PEMFC仿真的主流方案。RISMANCHIB等基于Butler-Volmer方程建立了经典的具有完整结构的直流道PEMFC单电池三维模型，来探究水传输、物质浓度和电流分布的三维结果。易伟通过Murray定律设计了一种新型叶脉结构流道，并应用VOF方法模拟液态水在叶脉流道和蛇形流道中的传输。M.Andersson等采用体积流体方法研究了包括气体扩散层表面在内的气体通道内的两相流动行为，并用同步辐射X射线照相和层析成像方法进行了验证。

1.3主要研究内容

1. 利用ICEM软件对各种不同结构尺寸以及不同截面的流道进行建模和网格划分。
2. 液态水在流道中有多种存在形式，在阴极流道电流密度很大时，流道内的液态水很多，流道内会出现水膜^[7]。当流道内液态水较少时，液态水以水滴的形式存在，分不同情况对不同形式的液态水进行仿真模拟^[8]。
3. 通过FLUENT软件对流道内水运输状况进行仿真模拟，考虑各种影响流道水传输的因素，并分别进行模拟计算^[9]：

1）不同结构尺寸流道对液态水输运的影响

2）微流道不同截面形状对液态水输运的影响

3）微流道表面不同润湿性特征对液态水输运的影响

4）不同气体流速和空气湿度对液态水运输的影响

第2章 模拟计算

2.1建立VOF模型

VOF模型是指流体体积函数，这个函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值。只要知道这个函数在每个网格上的值，就可以实现对运动界面的追踪^[10]。

在本次实验中，假设流道内部温度不发生变化，物质不发生相变，流道内只有空气和液态水两相，所以可以使用VOF方法对流道内液态水的运输状况进行分析。以下是VOF模型的传输方程：

（2.1）

（2.2）

（2.3）

（2.4）

式中，、是流体的密度和动力粘度，是第q相流体的体积分数，F是表面张力，以下表面张力的引起的动量方程的源项：

（2.5）

上式中，是表面曲率，是表面张力系数。

2.2流道模型和边界条件

2.2.1流道模型

为了从各方面探究影响流道内水运输的因素，本文根据各种影响因素建立了几组具有唯一变量的流道模型。从结构方面，建立了直流道^[11]和蛇形流道两种经典流道^[12]；从尺寸方面，建立相同截面长短不同，深度不同或宽度不同的几组流道^[13]；从流道截面方面，建立了矩形，三角形，梯形，半圆形截面的流道，圆形截面流道的截面半径为0.275mm；梯形截面流道高0.4mm，梯形截面上底长0.5mm，下底长0.7mm；三角形截面流道的高为0.6mm，底面宽0.8mm，流道的截面面积和长度全都相同^[14]。为了更好的模拟流道内部情况，在矩形截面流道的基础上添加了一个液体入口，来模拟水滴的形成以及从入口脱落的过程^[15]。

表2.1 流道几何参数

在几何模型确定之后要对其进行网格划分，这一步通过ICEM软件进行。直流道划分的网格数量为7600个，蛇形流道为12500个。图2-1为直流道和蛇形流道的网格，计算时会定义一个水滴在底面，气体以速度v通过速度入口进入流道。

图2.1 各种截面流道的几何模型

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