（机械工程专业论文）基于仿生学与triz理论的pemfc双极板流场结构设计.pdf

中文摘要质子交换膜燃料电池具有高效安全、环境友好、工作温度低、可快速启动等优点，可被广泛应用于航天、军事、移动电源、便携电源、区域性电站等领域。质子交换膜燃料以氢气和氧气为燃料，整个能量转换过程对环境几乎不产生任何负面影响，广阔的市场前景和巨大的商业价值使其成为研究焦点。双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部件，起着分配燃料和氧化剂、收集电流、移除反应生成的水、传导反应产生的热量、支承膜电极等作用。双极板上的流场是反应气体输运通道，流场结构的优劣直接影响着质子交换膜燃料电池的性能。传统的双极板流场存在压降过大、反应气体利用率低、电流密度分布不均等不足，严重制约质子交换膜燃料电池性能提升。目前，已有研究人员将分形理论、构造理论等引入到双极板流场结构的设计之中。本文从发明问题解决理论( t z ) 出发，探讨质子交换膜燃料电池中存在的技术矛盾，确定了功率与水的含量二者之间存在着矛盾冲突。在矛盾矩阵表中，针对功率与物质的量之间的技术矛盾，t r i z 理论推荐了包括增加非对称性、周期性动作、抛弃或再生在内的3 条创新原理。本文最终确定采用增加非对称性原理来设计新型流场结构。植物叶脉结构是天然存在的非对称性结构，其经过自然的进化，必然有其优越性，且叶脉输送养分的模式与质子交换膜燃料电池反应气体的传输有着极大程度的相似。本文建立了新型仿生流场的结构，利用f l u e n t软件对新型仿生流场和平行流场进行了模拟仿真，比较分析了二者在反应气体分布、压降等方面的性能差异。同时，本文还对不同操作条件对质子交换膜燃料电池性能的影响进行了探讨。关键词：质子交换膜燃料电池、t r i z 、叶脉、f l u e n ta b s t r a c tt h ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) i sp r o v i d ew i t ha d v a n t a g e s ，s u c ha se f f i c i e n ta n ds a f e ，e n v i r o n m e n t f r i e n d l y , l o wo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，q u i c ks t a r t u p ，e t c i tc a nb ew i d e l yu s e di na e r o s p a c e ，m i l i t a r y , m o b i l ep o w e r , p o r t a b l ep o w e ra n dd e c e n t r a l i z e dp o w e rs t a t i o n t i 地p e m f cu s e dh y d r o g e na n do x y g e nf o rf u e l ，t h ew h o l ee n e r g yc o n v e r s i o np r o c e s sa l m o s t h a s1 1 0n e g a t i v ei m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t ，i tb e c o m e st h er e s e a r c hf o c u sb e c a u s eo fi t sb r o a dm a r k e tp r o s p e c t sa n dg r e a tc o m m e r c i a lv a l u e 1 1 1 eb i p o l a rp l a t ei sak e yc o m p o n e n to ft h ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ，i tp l a y st h er o l et od i s t r i b u t et h ef i l e la n do x i d i z e r , c o l l e c tt l l ec u r r e n t , r e m o v et h ew a t e r , c o n d u c tt h eh e a ta n ds u p p o r tt h em e m b r a n ee l e c t r o d e t l 他f l o wf i e l do ft h eb i p o l a rp l a t ei st h et r a n s p o r tc h a n n e lo ft h er e a c t i v eg a s ，t h es t r u c t u r eo ft h ef l o wf i e l dd i r e c t l ya f f e c t s t h ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l sp e r f o r m a n c e t h ec o n v e n t i o n a lf l o wf i e l de x i s t ss o m es h o r t a g es u c ha sl a r g ep r e s s u r ed r o p ，l o wr e a c t i o ng a su t i l i z a t i o n , u n e v e nd i s t r i b u t i o no fc u r r e n td e n s i t y , w h i c hs e r i o u s l yr e s t r i c t st oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep e m f c a tp r e s e n t , s o m er e s e a r c h e r si n t r o d u c e dt h ef r a c t a lt h e o r ya n dc o n s t r u c t a lt h e o r yi n t ot h ed e s i g no fb i p o l a rp l a t e sf l o wf i e l d t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h et h e o r yo ft h es o l u t i o no fi n v e n t i v ep r o b l e m s ( t r i z ) ，i n v e s t i g a t e st h ec o n t r a d i c t i o ni nt l l ep e m f c ，i n d e n t i f i e st h ec o n f l i c tb e t w e e nt h ep o w e ra n dw a t e rc o n t e n t f o rt e c h n i c a lc o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt h ep o w e ra n da m o u n to fs u b s t a n c e t r i zr e c o m m e n d e dt h r e ei n n o v a t i v ep r i n c i p l e s ，i n c l u d i n ga s y m m e t r y ,p e r i o d i ca c t i o n ，r e j e c t i n ga n dr e g e n e r a t i n g ，i nt h ec o n t r a d i c t i o nm a t r i x - a s y m m e t r yw a su s e dt od e s i g na l li n n o v a t i v eb i p o l a rp l a t e sf l o wf i e l di nt h i sp a p e r 1 1 1 ev e i nh a san a t u r a ln o n - s y m m e t r ys t r u c t u r e ，t h r o u g ht h en a t u r a le v o l u t i o n , w h i c hm u s th a v ei t sa d v a n t a g e s e s p e c i a l l y , t h ep a t t e mo ft h ev e i n st od e l i v e rn u t r i e n t sa n dt h ew a yo ft h ep e m f ct ot r a n s p o r tr e a c t i o ng a sa r ev e r ys i m i l a r i nt h i sp a p e r , an o v e lb i o m i m e t i cf l o wf i e l dw a sd e s i g n e d ；t h en e wf l o wf i e l da n dt h ep a r a l l e lf l o wf i e l dw e r es i m u l a t e du s i n gf l u e n t ；t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nn o v e lb i o m i m e t i cf l o wf i e l da n dp a r a l l e lf l o wf i e l di nt h er e a c t i o ng a sd i s t r i b u t i o n ，p r e s s u r ed r o pe t c w e r ea n a l y z e d a tt h ef f m t l et i m e ，p e m f cp e r f o r m a n c e sf o rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：p e m f c ，t r i z ，v e i n ，f l u e n ti i武汉理工大学硕士学位论文1 1 能源现状第1 章绪论能源在科学技术百科全书中解释为：“能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源 。能源是人类文明向前发展和全球经济增长的基本动力，是整个社会生存发展的基本要素。在人类社会发展的历史长河中，能源也经历了其演变过程，1 9 世纪上半叶以木材为主要能源，2 0 世纪中叶石油成功超越燃煤成为主要的能源【1 l 。能源依照其基本形态可划分为一次能源和二次能源两大类，前者指大自然天然存在的资源，主要包括三大传统化石燃料等，亦称天然能源，其又可进一步细分为可再生和非可再生能源；后者是指通过一次能源直接或者间接转换为其他类型的能量资源，例如电能、汽油等。能源在人类社会的发展过程中功不可没，对世界文明的进步做出了卓越贡献。能源问题越来越受到各国政府的关注，能源安全已经提升了到国家的高度，特别是两次的石油危机更加使其成为全球关注的焦点。目前，世界经济的发展正受到来自能源、环境、人口等方面的挑战，而能源问题无疑是阻碍世界文明向前发展最为重要的因素。我们在享受能源所带来的经济飞速发展、科技水平提高等利益的同时，也无可避免的正面临着诸如能源短缺、资源争夺以及环境污染等问题。图卜l2 0 1 0 年世界探明石油储量( 亿桶)1 9 世纪中期伴随着工业革命的到来，人类社会逐渐开始开发利用化石燃料( 煤、石油、天然气) 。化石燃料的形成需要长时间的自然演化，属于一次能源中的非可再生能源。据b p 世界能源统计，2 0 1 0 年世界一次能源消费增幅为5 6 ，是1 9 7 3 年以武汉理工大学硕士学位论文来增速最快的一年。统计表明，2 0 1 0 年世界消费的能源里化石燃料约占8 5 ，其中石油仍占主导地位，占世界能源消耗3 3 6 ，天然气占2 1 7 ，煤炭占2 9 6 。2 0 1 0 年全球石油消费增长3 1 ，煤炭消费增长7 6 ，为2 0 0 3 年以来最快增速，天然气消费增长7 4 ，为1 9 8 3 年以来最快增速。化石燃料作为一种非可再生能源，其漫长而又复杂的形成过程和全球能源消费的快速增长必然导致它会有消耗殆尽的一天，世界经济高速的发展无疑也会加快这一天的到来。图卜22 0 1 0 年世界探明天然气储量( 万亿立方米)图卜32 0 1 0 年世界探明天然气储量( 亿吨)人类在利用这些化石燃料为自身谋求福利的同时，也给整个自然环境带来了无数的麻烦。环境污染、温室效应、生态自然系统的破坏已不再遥远。所有这些负面的效应，不论是对人类的自身健康还是生态环境都早餐了巨大的伤害。化石燃料在开发利用的过程中会产生二氧化硫( s o ：) 、二氧化碳( c o 。) 、氮氧化合物等一系列副产物，而这些副产物正是破坏生态环境的罪魁祸首。比如，二氧化硫与大气中的水结合会形成相应的酸性物质，即通常所说的酸雨，它会侵蚀森林植被，酸化土壤和湖泊，严重破坏生态系统，而氮氧化合物则是造成光化学烟雾污染的元凶之一。温室效应是另一个由于大规模利用化石燃料带来的恶果。温室效应所2武汉理工大学硕士学位论文引起的全球变暖现象已成为了世界关切的焦点。有资料表明，相较于1 9 7 5 年以，地表平均温度已经增长了0 5 摄氏度，科学家预估：假如地球表面平均温度仍以现在的增幅持续发展，那么2 0 5 0 年全球平均温度将会提升2 , - - - 4 摄氏度【2 j ，届时，两极冰川将会大面积融化，沿海城市及岛屿将被海水所吞没，这将是巨大的灾难。全球变暖已带来了众多恶果，包括地球上的病虫害和传染疾病增加，人类生命健康面临威胁：海平面上升，气候异常，土地干旱、沙漠化进程加快等等。化石燃料作为非可再生能源终会有其消耗殆尽的一天，石油、天然气资源将在2 0 5 0 年前被开采完的观点已经为世人所认可，而其带来的负面影响也越来越显著，所以不论从化石燃料消费的速度还是其带来的负面效应，寻求化石燃料的替代能源已是全世界面临的重大课题。氢能、太阳能、风能、核能、潮汐能等一系列新能源已进入研究人员的视野。核能由于使用过程中不产生碳氧化物、氮氧化物等污染物和廉价的生产成本，是一种理想的能源，但其安全性最近又饱受质疑。1 9 8 6 年4 月2 6 日切尔诺贝利核电站核泄漏、2 0 1 1 年3 月1 1 日日本福岛电站核泄漏都导致了严重后果，造成了巨大的损失，世人对开发利用核能也产生了一丝恐慌和担忧。2 0 11 年多国民众举行游行示威活动，要求政府取消开发利用核能计划。太阳能资源非常充足，太阳每秒辐射到地表上的能量可折算成5 0 0万吨煤，仅占其总辐射能量的2 2 亿分之一，对环境不产生任何不良影响，且无需运输。对太阳能的充分开发利用，对解决当今世界所面临的能源危机无疑是一剂良药。然而，由于占地面积过大、高昂的生成成本、效率低下等不足，太阳能目前还不能大规模的推广使用。风能、潮汐能同样属于可再生能源，但其开发利用受到地域差异、环境影响、技术不成熟、转换效率不高等因素的限制。氢能是指氢气、氧气在发生化学反应的过程中所释放的能量。氢贮量丰富，在宇宙中广泛分布，占宇宙质量的3 4 ，故而氢能被誉为人类的终极能源。氢气可由水制取，地球约有7 5 的面积覆盖着水。氢气和氧气化学反应的终产物为水，不产生其他任何污染物，所以氢能也被誉为最清洁的能源，这对饱受环境困扰的世人来讲，无疑是一福音。自工业革命以来，环境问题日趋恶化，诸如氢能这样高效安全、环境友好的清洁能源必将成为未来世界文明发展经济增长对能源需求的第一选择。氢能被看作2 1 世纪清洁能源的最佳选择，最具开发利用潜质，是世界各国发展战略能源的首要选择。如今，世界各国政府都在投入大量的财力研究开发可替代传统化石燃料的清洁能源，其中氢能备受青睐，氢能在2 1 世纪将开创一个属于清洁能源的全新时代。3武汉理工大学硕士学位论文1 2 燃料电池燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种高效的能量转换“工厂 ，它将反应气体所贮存的化学能直接、持续、高效地转化为电能，它与传统意义上的电池( b a t t e r y ) 无论原理还是结构都有着本质的区别【3 1 。燃料电池是由燃料电池堆( 燃料电池子系统) 、热管理子系统、燃料传输处理子系统、电力电子子系统等构成的一个复杂系统。1 2 1 燃料电池发展史燃料电池的最早历史可追溯到1 9 世纪初，英国的w i l lj a mg r o v e 爵士被公认为是第一个发明燃料电池的人【4 】。他将两根铂电极分别置于盛有硫酸溶液的试管中，并向两根试管中分别通入氢气和氧气，该装置获得了o 5 0 6 v 的输出电压。由于当时燃料电池电极所使用的铂极难获取以及得到的电能过小，伏打电池技术日趋成熟，燃料电池的相关研究工作字此后的近4 0 年里基本停滞。w i l l i a mg r o v e 的燃料电池并没有实际应用。1 8 8 2 年，英国物理学家r a y l e i g h 尝试通过增大反应气体、电极、介质溶液三者之间的接触面积以期提高铂电极的利用率，然而最终结果并不理想。1 8 8 9 年，化学家l u d w i gm o n d 及其助手利用薄而多孔的铂制取电极，然而在液态电解质方面困难重重。他们制成了第一个实际的燃料电池原型，在0 7 3 v电压下获得了6 5 m a c m 的电流。2 0 世纪初，瑞士科学家e m i lb a u r 及其学生对不同类型的燃料电池进行了多次试验。1 9 4 0 年，苏联科学家o k d a v t y a n 对燃料电池电解质开展了数次研究，期望能提升电解质的传导特性与机械性能，但遇到了有害的化学反应，额定功率持续时间短等问题，并未能达到预期效果。基于将近1 5 0 年的科学研究，燃料电池领域的相关技术难题正逐步逐个被全世界的科学家们所攻克。燃料电池在航空航天领域的应用已有了2 0 多个年头，燃料电池商业化推广正在稳步前进。1 2 2 燃料电池种类燃料电池依据所使用电解质的不同可分为5 种主要的类型：磷酸燃料电池( p a f c ) 、质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 、碱性燃料电池( a f c ) 、熔融碳酸盐燃料4武汉理工大学硕士学位论文电池( m c f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 。磷酸燃料电池以纯的或高浓度的液体磷酸为电解质，以一层很薄的碳化硅( 厚度一般为1 0 0 2 0 0 1 a m ) 为电解质基体，由于纯磷酸的凝点温度为4 2 ，因此其工作温度必须高于这一温度，一般为1 5 0 2 2 0 ，发电效率高效，大于4 0 。p a f c 阴极以空气或者纯氧为氧化剂，阳极以氢气为还原剂。由于在电极使用了铂催化剂，p a f c 对一氧化碳和硫化物的影响极为敏感，催化剂易发生中毒，影响电池性能，其能承受的一氧化碳极限浓度约为1 5 ，硫化物的极限浓度约为5 0 x 1 0 - - 6 。低廉的生产成本以及较为成熟的技术使得p a f c 成为少数商业化的燃料电池之一。磷酸燃料电池在阳极发生的化学反应为：，一2 h + + 2 e 一，在阴极发生的化学反应为：1 2 0 2 + 2 e 一+ 2 h + 一h ，o 。由于电池工作温度较高，磷酸溶液会产生一定的挥发，因此在电池工作状态需持续对其加以补给。磷酸燃料电池工作原理如图1 - 4 所示。2 - 上p 一上1p t c 催化剂一d ，图卜4 氢氧磷酸燃料电池工作原理示意图n_ p t c 催化剂一图1 - 5 氢氧p e m f c 工作原理示意图质子交换膜燃料电池也可以称为聚合物电解质膜燃料电池，它在所有类型的武汉理工大学硕士学位论文燃料电池中能量密度表现最为优越。p e m f c 以仅能传导质子的质子交换膜为电解质，其中全氟磺酸膜应用最为广泛。一个p e m f c 的单电池主要由阴阳极双极板、阴阳极气体扩散层、阴阳极气体催化层、质子交换膜构成。还原剂和氧化剂通过双极板上的流场分别到达阳极和阴极，经过气体扩散层到达催化层界面，氢气在阳极催化层界面电离产生h + 和e 一，质子以水合质子的形式、以磺酸基为运输载体穿过质子交换膜到达阴极催化层界面，电子通过外围负载到达阴极。在阴极，氧分子与质子及电子发生化学反应，生成水分子和热。质子交换膜燃料电池快速的启动性、体积小、能量密度高，可广泛应用于便携式电源及运输工具。p e m f c是电动汽车最具潜力的动力源，众多汽车公司对p e m f c 的研究开发尤为重视。碱性燃料电池的电解质为氢氧化钾，与质子交换膜燃料电池及酸性燃料电池日+ 从阳极传递至阴极所不同，碱性燃料电池从阴极传递o h 一到阳极，e 一传递机理相同。美国航空航天局已将a f c 用于阿波罗航天任务，其功效可达7 0 。碱性燃料电池的工作温度在2 5 2 5 0 ，阴极反应速率较快，可获得较高性能，这是它的一大优势。a f c 需要纯氧作为氧化剂，因为其对二氧化碳极为敏感，少量的二氧化碳将导致电解质溶液中o h 一浓度不断降低，电池整体性能也不可避免地下降。纵然碱性燃料电池具有高效、材料成本低等优势，但对二氧化碳的极度敏感限制了其推广利用。h 、2 _ p g c 催化剂一( j 、图1 - 6 氢氧碱性燃料电池工作原理示意图固体氧化物燃料电池( s o f c ) 以固态陶瓷为电解质，最为典型的电解质材料是氧化钇稳定的氧化锆，其工作温度大约为6 0 0 1 0 0 0 9 c ，同样也属于高温燃料电池。高温环境对阳阴极的材料要求相对严格，最常用的阳极材料是一种陶瓷和金属的混合体( 镍_ y s z 金属陶瓷) ，镍可提高导电性及催化效率，典型的阴极材料，阴极材料常采用锶镧铁酸盐( l s f ) 、锶镧钴酸盐( l s c ) 、锶镧铁钻酸盐( l s c f ) ，使用这些材料可提高阴极的抗氧化性和催化性能。氧离子在s o f c 中扮演着可移动电荷载体的角色，阴极电离生成氧离子，阳极氢气与氧离子结合生成水。6武汉理工人学硕士学位论文p _ 上( ) 2图1 - 7 氢氧固体氧化物燃料电池工作原理示意图熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 运行温度为六七百摄氏度左右，属于高温燃料电池。通常m c f c 的电极为镍基，可提高电极的抗腐蚀性，典型的阳极制取材料为镍铬合金，阴极为经锂化处理的镍氧化物，阳极的铬可提高电极表面积和孔隙率，阴极锂化的镍氧化物可减弱镍的溶解。熔融碳酸盐燃料电池中的电解质为熔融态的碳酸盐，碳酸根离子c o ；一由电解质从阴极传递至阳极，在阳极生成的二氧化碳可被阴极循环利用。2c ( ) 7 一一 ej0 ，c o ，( 一一一一图卜8 氢氧熔融碳酸盐燃料电池工作原理示意图1 2 3 燃料电池应用燃料电池可广泛适用于便携式电源、移动式电源、固定式电源。燃料电池在这些领域的应用也得到了验证和展示，部分燃料电池也已经实现了商业化。未来，燃料电池会在更多的领域，扮演重要角色。作为便携式电源，便携式燃料电池最大优势在于其结构紧凑、体积轻盈，同7武汉理工大学硕士学位论文时又能高效持久的提供电源。相对于便携式燃料电池而言，传统的普通电源体积笨拙、有效工作时间短、不便于升级、充电麻烦等不足越来越明显，已不能满足未来便携式电源的要求。目前，便携式燃料电池颇受军用市场青睐，工作无噪声、热效应弱是其受军用领域欢迎的显著优势。将来，便携式燃料电池还会为移动电话技术快速发展贡献力量。便携式燃料电池也可在摄像机、计算机、无人机等方面得到广泛应用。燃料电池效率高、对环境几乎不产生任何负面影响，作为移动电源可广泛应用于汽车、大巴、自行车、船舶等交通运输工具。能源的匮乏、环境的污染等因素必然会将燃料电池引入汽车领域。相比以别的燃料为动力源的汽车，因为燃料电池不受卡诺循环的影响，所以以燃料电池为动力源的汽车效率更高。一些汽车公司已经成功研制了燃料电池汽车的产品，如戴姆勒一克莱斯勒公司的f c e l l的燃料电池，通用汽车的h y d r o g e n3 燃料电池等。质子交换膜燃料( p e m f c ) 电池具有高效、可低温启动、零排放等优势，成为燃料电池汽车燃料电池类型的首选。在人口稠密的地区，燃料电池汽车的出现，对改善自然环境和减少污染有重要意义。燃料电池用于固定式电源具有更大的商业价值，可不受地域差异的影响，可延伸至电网无法到达的地区。固定式燃料电池电源可以为家庭或公司提供充足的电力，这对偏远地区的来讲，可极大的降低供电成本。固定式燃料电池可用做主电源与电网竞争，也可用于备用电源，当主电源遭遇故障时可为设备供电，同时还能与其他电源构成混合电力系统。p e m f c 在所有燃料电池种类中应用最为广泛，其他类别的燃料电池也有使用。表1 燃料电池比较燃料质子交换电池磷酸燃料碱性燃料固体氧化物燃熔融碳酸盐燃类型电池膜燃料电池电池料电池料电池常用全氟磺酸电解h 3 p 0 4k o h 溶液z r 0 2 一y 2 0 3n a 2 c 0 3质膜导电离子h +h +o h 0 2 -c o 使用天然气、甲氢气、天然天然气、甲醇、天然气、甲醇、燃料醇气、甲醇氢气石油、煤石油、煤工作1 5 0 - 2 2 0 室温温度- 1 0 0 2 5 - 2 2 0 5 0 0 1 0 0 0 6 0 0 - 7 0 0 转换 4 0 6 0 7 0 6 0 6 0 效率应用分布式电交通工具航空、潜艇分布式电站分布式电站领域站电源等盯3武汉理：f = 大学硕士学位论文1 3 国内外研究现状质子交换膜燃料电池燃料来源丰富、工作温度低、不污染环境等优点使其在所有燃料电池类型中脱颖而出，备受研究人员青睐，对其所进行的研究也越来越深入。1 3 1 传统双极板流场研究a t u lk u a m r 5 】等建立了单通道蛇形流场模型，研究流道尺寸及截面形状对阳极氢气消耗的影响，模拟仿真时流道宽度、脊宽、流道深度的尺寸变化范围为0 5 - 一4 m m ，通过仿真计算得到了流道的优化尺寸，当流道宽度接近1 5 m m 、脊宽接近0 5 m m ，流道深度接近1 5 r a m 时，阳极氢气消耗量可达最大；截面形状为三角形和半圆形的流道可将氢气消耗量提高9 左右。a em a n s o 6 1 等研究了蛇形流道截面高宽比对质子交换膜燃料电池性能的影响，蛇形流道横截面面积为1 0 6m m 二，电化学反应的活化面积为2 5 6r a i n ，采用了十组不同的高宽比，从o 0 7 变化到1 5 ，分析结果表明，当操作电压较小时，高宽比对质子交换膜燃料电池性能几乎无影响，当操作电压较大时，反应气体传质速度对质子交换膜燃料电池性能影响占主导地位，随着高宽比的增大质子交换膜燃料电池性能不断提升，较大的高宽比往往能获得分布更为均匀的电流密度且温度变化梯度也较小，有利于质子交换膜燃料电池的性能提升，比较结果显示当流道高宽比为1 0 0 6 、1 2 0 5 时性能最优。s s h i m p a l e e t7 j 等研究了不同流道数目、不同流道长度活化面积为2 0 0c m 二的蛇形流道对反应气体质量分布及质子交换燃料电池性能的影响，研究结果表明流道长度短、流道数目多的蛇形流场无论电流分布的均匀性、温度的均匀性还是水含量都优于其它蛇形流场。l a ns u n 8 】等采用梯形截面的蛇形流场分析了质子交换膜燃料电池气体扩散层中气体交叉效应和压降，仿真分析得出梯形截面宽窄比对气体交叉效应有重要影响，面宽窄比增大，气体交叉效应增强；同时，宽窄比对流场中压强的改变也会产生影响，气体交叉效应可减小压降。a n hd i n hl e 9 】等采用交指流场分析了液态水在质子交换膜燃料电池中的传输，f l u e n t 模拟结果显示液态水的移除对流场大小的依赖性很强，由于液态水的阻滞反应气体分布不均匀，压强较高的位置常常有液态水的存在，同时反应气体质量传输及电流密度的均匀性受液态水的影响较大。g u a n g s h e n gz h a n g 1 0 】测量比较了交指流场与蛇形流场的电流分布，测量结果显示在反应气体流速较低的情况下，交指流场的电流密度分布比蛇形流场要均匀，分析表明反应气体加湿度对交指流场和蛇形流场都有重要影响，但是对于不同的加湿度二者之间有所区别，通过比较发现交指流场的除水能力也要优于蛇形流场，交叉流场的最佳加湿温度要高于9武汉理工大学硕士学位论文蛇形流场。mm i n gf e r n g 1 1 1 分析比较了平行流场、单路蛇形流场、多路蛇形流场以及流道深度不变与流道深度渐变的流场对质子交换膜燃料电池性能的影响，模型预估结论与实验结论相差不大，实验与计算结果都表明蛇形流场性能优于平行流场，理论计算显示流道形式的不同对平行流场性能有较大影响，实验结果表明流道深度渐变的平行流场优于深度不变的平行流场，然而蛇形流场对深度是否变化并不敏感。j e r - h u a nj a n g 1 2 j 等建立了平行流场、z 形流场、蛇形流场的模型，研究三种传统流场对质子交换膜燃料电池燃料利用率、水的移除、传质以及电池性能的影响，分析反应气体速度、氧气质量、电流密度、压降、液态水在三种传统流场中的分布，研究结果显示增加拐角数目和流道长度，降低流道数目，可提高电池性能，在这三种传统流场中，蛇形流场性能最优，其次为z 形流场，平行流场性能最差。j a m e sp e i t z m e i e r t l 3 】等建立了树叶型和肺型仿生流场。1 3 2 新型双极板流场研究j e n n - k u nk u o l l 4 j 等设计了一种新型波浪形双极板流场结构，分析了新型流场反应气体流速及热交换等特性，在对模型进行假设后的模拟分析结果表明周期性变化的波浪结构可提高反应气体流速和催化剂效率，同时这种新型的波浪流场可减小反应气体速度矢量的夹角和温度梯度。b l a d i m i rr a m o s a l v a r a d o t l 5 】等利用构造理论设计了一种新型的h 型流场，探讨了分支数目不相同的三种流场，研究结果表明在使用构造理论设计双极板流场时，分支个数对质子交换膜燃料电池性能有重要影响，进口处雷诺数范围较大时，基于构造理论的双极板流场都能有较小的压降，同时也可提高反应气体分布的均匀性，分析表明增加分支级数可提升质子交换膜燃料电池的性能。z h i w e if a n l l 6 j 等基于构造理论建立了一个具有1 6个出口和1 个进口的新型双极板流场结构，以期获得均匀的反应气体质量分布和最小的能量损失，实验结果表明，当所有出口都打开，随着出口雷平均诺数从1 0 2 0 变化为2 2 4 7 ，反应气体最大流速与最小流速比值从1 1 7 0 变化为1 2 5 2 ，然而当关闭某一分支上的一个或两个出口时，通常会影响反应气体的分布，对同一分支的影响比其他分支更为严重。n a n n a ng u o 1 7 j 等利用仿生学原理优化了双极板流场，与传统的平行流场及多路蛇形流场比较，仿真结果显示，优化双极板流场可输出与多路蛇形流场相当的能量密度，但其压降更小，压强梯度小，且反应气体质量分布也更为均匀，同时优化流场可在很高的电流密度下工作。受流体在植物树叶中的流动形式启发r o s h a n d e l u s l 等提出了一种新型仿生双极板流场结构，以期获得更加均匀的速度分布和组分质量分布以及在不同的电流密度条件下获得较高的电压和能量密度，其实验结果与现有文献资料提供的结果相符，研究表明在催化层界面速度、压强、反应物浓度等分布非常均匀，能量密度相对于i 0武汉理工大学硕士学位论文平行流场与蛇形流场分别高出5 6 和2 6 。p e i w e nl i i l 9 】等建立了新型分支流场，研究分析了直角、圆角和倾斜三种分支流场，实验测试了分支之后的反应气体速度，并分析了其均匀性，其中圆角分支流场均匀性最佳，从实验测试和比较的结果来看，在反应气体干燥的条件下，使用新型流场的质子交换膜燃料电池有较好性能。1 4 课题来源及主要研究内容本文选题来源于基于树叶形态形成机理的p e m f c 双极板流场结构仿生设计国家自然科学基金( 项目编号5 0 9 7 5 2 1 4 ) 。双极板流场型式对质子交换膜燃料电池反应气体的传输及分布有重要影响，是决定质子交换膜燃料电池性能的关键因素。传统的流场结构在电流密度分布的均匀性、排水、反应气体进出口压降等方面的表现都不尽如人意。本文将以自然界中树叶叶脉为原型，设计一种非对称的新型仿生双极板流场结构。研究的主要内容包括：( 1 ) 针对质子交换膜燃料电池中存在的技术矛盾，利用t r i z 理论找到适合双极板流场结构设计的创新原理；( 2 ) 采用m u r r a y 法则计算流场的主要尺寸，利用g a m b i t 建立流场模型并划分网格，确定仿真计算的边界条件；( 3 ) 利用f l u e n t 软件对所设计的新型仿生流场和传统的平行流场进行仿真计算，分析二者在反应气体质量分布、压降等方面的性能差异；( 4 ) 从温度、压强、相对湿度、过量系数等角度探讨不同的工作条件对具有新型仿生流场结构的质子交换膜燃料电池性能的影响。武汉理工大学硕士学位论文第2 章质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 的研究历史始于2 0 世纪6 0 年代，美国通用电气公司( g e ) 为美国航天局( n a s a ) 的空间项目“双子星座”计划研发空间电源。经过几十年的发展质子交换膜燃料电池技术已取得长足进步，质子交换膜燃料电池以其能量密度高、质量轻、体积小、低温启动、环境友好等优越的性能成为研究热点，并被誉为第四代发电技术。内燃机将化石燃料燃烧产生的热能转换为机械能的理论效率为5 0 ，而质子交换膜燃料电池由于不受卡诺循环影响，能量转换效率理论值可达8 3 【1 9 】。质子交换膜燃料电池将来最有可能取代以传统化石燃料为能量来源的内燃机，是电动汽车最具潜力的动力源。2 1 质子交换膜燃料电池基本原理质子交换膜燃料电池堆由多个电池基本单元( 单电池) 串联而成。一个单电池由阳阴极双极板、阳阴极气体扩散层、阳阴极气体催化层、质子交换膜、密封件等几大部分构成。阳阴极气体扩散层、阳阴极气体催化层、质子交换膜共同构成膜电极( m e a ) 。图2 - 1 为质子交换膜燃料电池堆及单电池结构模型。图2 1 为质子交换膜燃料电池堆及单电池结构模型质子交换膜燃料电池的基本原理可以看作是电解水的逆过程。阳极发生氧化武汉理工大学硕士学位论文反应：日，斗2 p 一十2 h + ，阴极发生还原反应：1 1 2 0 ，+ 2 e 一+ 2 h + 专h ，o ，总反应为：l 2 d + 日，一日，d 。质子交换膜燃料电池将反应气体所贮存的化学能转为电能的过程大致可分为4 个主要步骤：( 1 ) 反应气体输送至电池内；( 2 ) 反应气体在催化层发生化学反应，阳极氢气电离产生质子和电子；( 3 ) 质子、电子分别通过质子交换膜和外接负载到达阴极与氧气反应生成水，( 4 ) 反应终产物水排出电池。为得到连续不断的电流，就必须持续地向质子交换膜燃料供给反应气体，双极板流场与气体扩散层可实现反应气体向催化层传输，到达催化层界面的反应气体在催化剂表面发生化学反应，反应终产物水由流道排出电池。一阳极流场板+|卅p 。、弋阴极流场板图2 - 2 为质子交换膜燃料电池结构示意图2 2p e m f c 双极板) c 双极板( b i p o l a rp l a t e ) 是燃料电池的重要部件，其表面加工成沟槽流道，引导反应气体到达催化截面，同时也可将反应生成物水排出电池内部。质子交换膜燃料电池堆由双极板将一定数量的单电池串联而成，双极板的两侧分别构成与之相邻的两块电池的阴极流场和阳极流场。2 2 1 双极板功用及特性双极板在质子交换膜燃料电池中所起的主要作用有：( 1 ) 分配燃料和氧化剂，并引导燃料及氧化剂进入催化界面；( 2 ) 分隔电池堆中的单电池，收集电流；( 3 ) 移除反应生成的水，加湿反应气体；武汉理工大学硕士学位论文( 4 ) 传导反应产生的热量，防止电池局部温度过高；( 5 ) 支承由扩散层、催化层、膜构成的膜电极，提高电池结构的稳定性。为了同时能满足这些功能，对双极板使用的材料常常要求高电导率、耐腐蚀性、良好的热导率、高机械强度、质量轻体积小、良好的可塑性等。典型的质子交换膜燃料电池双极板材料包括石墨板、金属板、复合板【2 。固体石墨具有高的热导率和电导率，且在燃料电池环境中能保持良好的化学稳定性，常用于低温燃料电池的双极板制备材料。由于石墨机械强度低、可制造性差，往往会给双极板流场的加工带来麻烦，再加之石墨价格昂贵制造成本高，石墨板通常不适合于大批量成产。金属材料相比于石墨材料，其电导率和热导率更为优良，有利于提升燃料电池的输出功率。金属材料的高气密性又可完全分隔氧化剂与还原剂，同时金属材料的机械强度和机加工性能都优于石墨材料，使得在双极板切割沟槽形成流场变得简单易行。燃料电池双极板通常处于腐蚀环境，以h 十为电荷载体的燃料电池( 如质子交换膜燃料电池) 为酸性环境，以o h 一为电荷载体的燃料电池如( 碱性燃料电池) 为碱性环境，金属材料耐腐蚀性较差，极板常时间处于酸性或碱性的工作环境，可能导致金属板被侵蚀钝化田】，与扩散层之间接触电阻变大，腐蚀产生的金属离子若迁移至催化层，将毒化催化剂，催化性能急剧下降，若扩散至7质子交换膜，将极大地削弱其离子传导率。为了避免金属极板表面被侵蚀钝化，常需要对极板进行表面处理。基于商业目的，目前各种金属极板的表面处理技术都尚未对外公开。b o r u p 和v a n d e r b o r g h 研究探讨了基于碳的涂层材料和基于金属的涂层材料，提出用于金属极板表面处理的涂层材料必须具有良好的导电性能且与金属基体能良性粘接。复合板具有石墨板耐腐蚀等优点，也兼具金属板机械强度高、机加工性能好等方面的优势，是未来双极板材料发展的方向。金属基复合双极板和碳基复合双极板四j 是复合双极板的典型代表。金属基复合双极板以金属薄板为隔离板，边框采用塑料、聚砜、聚碳酸酯等，导电胶粘接金属基与边框。该极板同时具备金属板和石墨板的优点，耐腐蚀、导电性能好、机械强度高、可制造性强。碳基复合双极板由热塑树脂( 聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯) 或热固树脂( 酚醛塑料、环氧树脂、乙烯基脂树脂) 和碳基经模压或注塑等工艺一次成型。出于对注模难易程度和循环利用等方面的考量，研究人员更倾向于采用热塑树脂作为复合双极板制备材料。有调查表明，双极板质量约占整个质子交换膜燃料电池堆的7 0 8 0 ，大致占这个质子交换膜燃料电池总成本的4 0 9 6 5 0 1 2 4 j ，因此，设计合理的双极板流场结构、选择合适的双极板材料就显得尤为重要了。1 4武汉理工大学硕士学位论文2 2 2 双极板流场形式质子交换膜燃料电池流场结构对燃料及氧化剂在电极各处的分布，生成物水的排出有着重要的影响。良好的流场结构能可使反应气体质量均匀分布，增大有效的反应面积，提高催化剂的利用效率，防止燃料电池局部出现“饥渴现象，获得均匀分布的电流密度。同时，良好的流场结构可快速移除反应生成的水，避免因局部积水过多导致电极“水淹 。常见的双极板流场有平行流场、蛇形流场、交指流场、螺旋流场、网格流场等。平行流场是由单一直流道演变而来，将一定数量的直流道并排在一起就形成了平行流场。还原剂及氧化剂均匀流入每一个单一的直沟槽，反应剩余气体及生成物水由流道出口排出电池内部。平行流场最大的优势在于其气体进口与气体出口之间压降比较小，在一定程度上提高燃料电池效率。当平行流场宽度较大时，靠近气体进口的流道往往能得到充足的反应气体，而远离气体进口的流道由于压力的损失分配的反应气体较少。在平行流场中，反应生成的水常常容易在流道内聚集成为较大的液滴而阻塞流道，影响气体的传输，造成流道的“死区 ，某一流道存在的“死区”将会导致剩余流道反应气体的重新分配。为使各直流道反应气体分配均匀，以便得到均匀分布的电流密度，常增加直流道数量并减小其横截面积。蛇形流场通常有单路蛇形流场和多路蛇形流场( 亦称平行蛇形流场) 。蛇形流场最显著的优点在于水的移除能力，流场中的反应气体仅存在一个流动方向，在流道中的障碍处可产生一个高压区，将障碍清除。单路蛇形流场流道过长，容易导致反应气体在流经整个流道时逐渐消耗，靠近流道进口处反应物浓度大，而靠近流道出口处反应物浓度又比较小，浓度极化损失较大。过长的流道还会造成较大的压降，在电池持续工作较长时间后，阴极将积聚生成的反应物水，极易产生阴极电极“水淹 ，堵塞扩散层孔隙，降低反应物与催化剂的接触面积。多路蛇形流场实际是多个单路蛇形流场的组合，只是增加了流道数目而已。多路蛇形流场在减小压降方面能起到一些作用，但同样由于流道过长，效果并不理想，进气口与出气口之间压降仍然较大。l a ns u n 2 5 】等对蛇形流场相邻流道之间的气体交叉效应( c h a n n e lt oc h a n n e lc r o s s o v e r ) 进行了数值模拟分析，表明相邻的流道之间存在着气体传输，对减小压降有一定作用。交指形流场最显著的特征是其气体进口流道与出口流道不相通，反应气体靠强制对流进行传输。反应物在压力梯度下强制进入多孔的气体扩散层，这与其他类型的流场是大相径庭的。在其他形式的流场中，反应气体往往是通过扩散或者自然对流( 压差产生) 进入多孔的气体扩散层。交指形流场排水能力远远优于其他传统类型的流场，强制对流可彻底地移除肋板下及扩散层中的水，避免电极被武汉理工大学硕士学位论文淹没。同等情况下，交指形流场性能要胜于其他传统类型流场。西安交通大学的张广升等人利用基于电流分布测量垫片技术测量了相同条件下交指流场和蛇形流场的电流密度分布情况，实验结果表明交指流场电流密度比蛇形流场分布要均匀。然而气体多孔扩散层中存在较大阻力，强制对流会产生较为明显的压力损耗。有资料表明，减小肋板宽度可改进这一问题1 1 9 j 。螺旋流场与蛇形流场较为相近，所不同的是在螺旋流场中气体进口流道与出口流道交叉分布，螺旋流场除水性能也较为优良。交错分布的气体进口流道与出口流道可使反应气体质量分布更为均匀。网格流场在一定程度上可以认为其是没有固定流道的，反应物在极板凹槽之间流动。网格流场压降明显，反应气体分布不均匀且流速较小，不易移除反应生成的水。爪爪( a )小爪爪爪而( e )( c )图2 - 3 流场结构示意图( a ) 单通道蛇形流场；( b ) 多通道蛇形流场；( c ) 螺旋流场：( d ) 平行流场：( e ) 交指流场；( f ) 网格流场流场结构的合理性是决定质