【摘 要】
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近年来,质子交换膜燃料电池以其对环境无污染、能源利用率及功率密度较高、热辐射低以及噪音小等特殊优势成为了具有潜力的新能源之一。然而对于质子交换膜燃料电池,其性能受膜电极组件结构,工况等多种条件的综合影响。此外,传统的“沟-脊”结构极板流道也对燃料电池的性能有着一定的制约,而以金属泡沫作为一种新型流道可以一定程度上对其进行优化。因此为了提高燃料电池的性能,本文对质子交换膜燃料电池的性能分析与优化展开
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“面向重型载货车用燃料电池发动机集成与控制”
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近年来,质子交换膜燃料电池以其对环境无污染、能源利用率及功率密度较高、热辐射低以及噪音小等特殊优势成为了具有潜力的新能源之一。然而对于质子交换膜燃料电池,其性能受膜电极组件结构,工况等多种条件的综合影响。此外,传统的“沟-脊”结构极板流道也对燃料电池的性能有着一定的制约,而以金属泡沫作为一种新型流道可以一定程度上对其进行优化。因此为了提高燃料电池的性能,本文对质子交换膜燃料电池的性能分析与优化展开了以下工作:（1）介绍了本文三维仿真计算的数学模型,包括电化学模型,质量守恒模型,水传输模型等。依据实际的质子交换膜燃料电池的三维模型和上述数学模型建立了基于Ansys Fluent的燃料电池三维仿真模型。对电化学反应中的阴极传递系数和水传输模型中的质量源项系数进行了修正,使其与实验值差距不超过5%,作为对后续仿真的指导。（2）采用Taguchi方法设计了质子交换膜燃料电池多因素的正交实验方案,对未加装微孔层的燃料电池和加装了微孔层的燃料电池分别进行了多种影响因素的探究,以燃料电池的电流密度和膜水含量为因变量得出了影响规律,拟合出回归方程并预测了最优解组合,分析了微孔层结构的存在与否对燃料电池性能的影响。在此基础上,得到了三种对燃料电池性能最为主要的影响因素,采用均匀设计构建了燃料电池气体扩散层厚度、微孔层厚度和阴极进气湿度的实验方案,并用回归分析探究其影响规律。综合分析了以上结果,得到了最终的最佳性能组合。（3）建立了金属泡沫流道燃料电池的三维仿真模型,并提出了一种新型的导流金属泡沫流道,在此基础上分析了常规流道、导流金属泡沫流道和金属泡沫流道的燃料电池性能变化。以其中性能最好的流道类型燃料电池为基础来分析不同厚度下燃料电池的性能。采用均匀设计构建了金属泡沫厚度,阴极进气湿度和金属泡沫渗透率之间的实验方案,并用多元回归分析方法得出了其回归方程,预测出了其最优组合。
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