（动力机械及工程专业论文）车用pemfc流场的数值模拟及优化改进.pdf

numerical simulation and optimization of flow field of proton exchange membrane fuel cell for vehicles a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wang chuanbin supervised by prof. hu yumei major: power machine and engineering college of mechanical engineering of chongqing university , chongqing, china october 2008 中文摘要 i 摘 要 随着地球上一次能源（石油、煤等）日趋枯竭、环境污染日益严重，洁净高 效的能源利用方式逐渐成为未来能源开发和利用的方向。质子交换膜燃料电池由 于低温易启动、体积比较小、功率密度较大、能量转换效率高、无污染、能根据 用电需求改变输出等优点，成为汽车理想的能源。目前的质子交换膜燃料电池尚 处于研究阶段，其中双极板流场的研究是一项关键的课题，开发优良的流场是提 高质子交换膜燃料电池（pemfc）性能的一个核心因素。本文的研究工作主要是 针对质子交换膜燃料电池流场，利用计算流体软件 cfx 来计算模拟流场结构与尺 寸对电池性能的影响。 首先，描述质子交换膜燃料电池的三维数学模型，包括电池的电化学动力学、 电化学反应、电化学速率、电极极化等模型和连续方程、动量方程等数学控制方 程； 然后，建立了质子交换膜燃料电池阴极简化计算模型，确定了计算的合理边 界条件，分析电池阴极内气体流动、扩散传质和组份浓度分布等情况；接着，对 电池在不同的进气压力和压力差时的工作情况进行模拟，分析压力对电池工作的 影响；在扩散层和催化层宽度固定的情况下，选取不同的流道宽度（脊宽比） 、深 度等结构计算分析，结果表明，流道的宽度、脊宽与流道深度的比值为 1：1：1 是较理想的流场尺寸比； 接着，以前面计算模型为基础对流场进行改进，把流道的上壁面由平面改为 具有一定的波纹形状，并取几组不同的波纹长度和波纹高度（波峰与波谷的距离） 值进行计算，通过比较分析得出，波纹高度为 0.03mm，波纹长度为 0.833mm 时， 与传统的上壁面为平面的流道相比，通过流道/扩散层界面进入扩散层的气体质量 流量提高了 1.23 倍，对燃料电池传质能力的提高是非常明显的。 最后，建立了流道上壁面分别为平面和波纹形面的单通道和多通道蛇形流场 以及交叉梳状流场质子交换膜燃料电池阴极的整体计算模型并进行计算分析，结 果表明，不论对于单通道流场还是多通道流场的燃料电池，与流道上壁面为平面 时相比，流道上壁面为波纹形时，扩散层氧气的浓度要更高，分布更均匀，而且 流道内水的浓度要低，排水性能较好，燃料电池的性能得到了提高。 关键字：关键字：质子交换膜燃料电池，流道，数值模拟，波纹，优化 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract clean and efficient energy use is becoming the direction of future energy development and utilization with the primary energy (oil, coal, etc.) becoming increasingly depleted and the increasingly serious environmental pollution. proton exchange membrane fuel cell (pemfc) is becoming the ideal energy for vehicle because of its easy to start at low temperature, smaller size, greater power density, high-efficiency energy conversion, pollution-free, changing electricity output according to requirement, etc. at present, the proton exchange membrane fuel cell is at a research stage, and the study of bipolar plates flow field is a critical issue. well development flow fields are core factors to improve the proton exchange membrane fuel cell (pemfc) performance. in this paper, we mainly research the effect of flow fields structure and size to the battery performance using cfx. first of all, we described the three-dimensional mathematical models of proton exchange membrane fuel cell, including the electrochemical dynamics, electrochemical reaction, the electrochemical rate, electrode polarization, and the mass equation, the momentum equation, and other mathematical equations; then, it analyzed the gas flow inside the battery cathode, the gas mass transfer and distribution, the concentration of components and so on based on establishing cathode simplified calculation model of the proton exchange membrane fuel cell and determining the boundary conditions. and then, it researched the pressure effect on cell performance through observing battery work conditions under different air pressure and pressure difference. it analyzed the cell performance when the flow field size was different. the results show that 1:1:1 is the best ratio of the channel width, ridge width and the channel depth. then, we changed the upper wall of channel from flat face to wavy face and took several different wave length and wave height (the distance between peaks and troughs) value calculated based on the previous model calculation. by comparing and analyzing the results, we can see that the mass flow of gas through the channel / diffusion layer interface into the diffusion layer increased by 1.23 倍 under the wave height of 0.03mm, the wave length of 0.833mm, and the improvement of the mass transfer is very clear finally, it established the overall computing model of single-passage flow field , 重庆大学硕士学位论文 iv multi-passage flow field and interdigitated flow field of cathode whose upper wall of channel were flat and wavy surface and calculated. the results showed that, when the upper wall of channel is wavy shape, there is a higher concentration and more uniform distribution of oxygen, a lower concentration of water, a good drainage performance in diffusion layer comparing to the flat upper wall flow field regardless of the single-channel flow or multi-channel flow of fuel cells, and the performance of fuel cell has been enhanced. keywords：proton exchange membrane fuel cell (pemfc), channel , numerical simulation, wave, optimization. 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池 . 1 1.1.1 质子交换膜燃料电池的发展现状 . 1 1.1.2 质子交换膜燃料电池的结构 . 3 1.1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理 . 4 1.2 质子交换膜燃料电池的双极板和流场质子交换膜燃料电池的双极板和流场 . 5 1.2.1 质子交换膜燃料电池的双极板 . 5 1.2.2 质子交换膜燃料电池的流场 . 5 1.3 本文的主要工作本文的主要工作 . 9 2 质子交换膜燃料电池仿真建模质子交换膜燃料电池仿真建模 . 11 2.1 质子交换膜燃料电池电化学动力学质子交换膜燃料电池电化学动力学 . 11 2.1.1 质子交换膜燃料电池的输出电压 . 11 2.1.2 质子交换膜燃料电池的效率 . 15 2.2 质子交换膜燃料电池数学控制方程质子交换膜燃料电池数学控制方程 . 16 2.2.1 质量守恒方程（连续性方程） . 16 2.2.2 动量守恒方程 . 17 2.2.3 物料守恒方程 . 17 2.2.4 电化学反应率 . 17 2.2.5 电位控制方程 . 18 2.3 质子交换膜燃料电池三维仿真模型质子交换膜燃料电池三维仿真模型 . 19 2.3.1 模型实体及网格划分 . 19 2.3.2 模型仿真计算采用的假设 . 19 2.3.3 边界条件和物性参数 . 20 2.4 本章小结本章小结 . 21 3 质子交换膜燃料电池阴极流道仿真结果及影响因素分析质子交换膜燃料电池阴极流道仿真结果及影响因素分析 . 23 3.1 引言引言 . 23 3.2 阴极的仿真结果阴极的仿真结果 . 23 3.2.1 阴极流道内气体的速度分布 . 23 3.2.2 阴极侧组分浓度的分布 . 23 重庆大学硕士学位论文 vi 3.2.3 阴极电流密度的分布 . 27 3.3 工作参数和结构参数对结果的影响工作参数和结构参数对结果的影响 . 27 3.3.1 工作压力及压力差对结果的影响 . 27 3.3.2 流道宽度与脊宽比的影响 . 30 3.3.3 流道深度对阴极仿真结果的影响 . 34 3.4 本章小结本章小结 . 37 4 质子交换膜燃料电池阴极流道优化改进及数值仿真质子交换膜燃料电池阴极流道优化改进及数值仿真 . 39 4.1 引言引言 . 39 4.2 不同波纹高度对不同波纹高度对燃料电池性能燃料电池性能的影响的影响 . 39 4.3 不同波长对不同波长对燃料电池性能燃料电池性能的影响的影响 . 42 4.4 本章小结本章小结 . 45 5 pemfc 阴极的整体模拟及改进优化分析阴极的整体模拟及改进优化分析 . 47 5.1 引言引言 . 47 5.2 单通道蛇形流道单通道蛇形流道 pemfc 阴极整体模拟阴极整体模拟 . 47 5.2.1 流道上壁面为平面 . 47 5.2.2 流道上壁面为波纹面 . 51 5.3 多通道蛇形流道多通道蛇形流道 pemfc 阴极整体模拟阴极整体模拟 . 54 5.3.1 流道上壁面为平面 . 54 5.3.2 流道上壁面为波纹面 . 58 5.4 交叉梳状流道交叉梳状流道 pemfc 阴极整体模拟阴极整体模拟 . 61 5.5 本章小结本章小结 . 65 6 结结 论论 . 67 致致 谢谢 . 69 附附 录录 . 75 1 绪论 1 1 绪 论 能源的生产和消费与全球性的气候变化同地球上的温室效应有密切的关系。 导致温室效应的主要气体co2有一半以上来自目前的能源体系化石燃料的燃烧， 而这类燃料提供了世界能源总量的近4/5。在我国，化石类燃料所占比例更大，达 到94.7%，其中的煤炭在一次能源生产和消费构成中占70%以上，而煤的利用带来 的污染是各种燃料中最大的。随着地球上一次能源日趋枯竭、环境污染日益严重， 洁净高效的能源利用方式逐渐成为未来能源开发和利用的方向。燃料电池是一种 将燃料中的化学能通过电极反应直接连续地转换成电能的电化学装置，是继水电、 火电和核电后能持续产生电力的第四种持续发电方式，被称为21世纪最有发展前 途的新型能源之一。由于能量转换过程中不涉及到燃烧，因此其转换效率不受“卡 诺循环”的限制，可高达60%-80%，特别是高温燃料电池和热机联产的情况下可进 一步提高总的能源利用效率，考虑到各种损失，燃料电池的实际使用效率也是普 通内燃机的2-3倍。燃料电池不但具有高效、清洁以及比功率高等优点，而且它还 具有对燃料的适用性强、排气干净、噪音低(由于没有机械传动装置)、可靠性高、 易模块化及维修性好等优点。燃料电池的应用领域非常广泛，大型的有百兆瓦级 的燃料电池电站系统，一般的有用于电动汽车的动力系统的燃料电池，小型和微 型的(通常为质子交换膜燃料电池pemfc)有目前正在全世界大力研发的笔记本、 手机等家用电器和士兵便携设备上的电源动力。 燃料电池的种类比较多，包括碱性燃料电池afc(alkaline fuel cell)、磷酸燃 料电池pafc (phosphorous acid fuel cell)、熔融碳酸盐电池mcfc (molten carbonate fuel cell)、直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料的固体氧化物燃 料电池sofc (solid oxide fuel cell)、以甲醇为燃料的直接甲醇燃料电池dmfc (direct methanol fuel cell)以及以h2为燃料的质子交换膜燃料电池pemfc (proton exchange membrane fuel cell)。目前afc是发展得最成熟的燃料电池技术。而 pemfc在20世纪90年代开始快速发展，主要是作为便携式电源和机动车电源。 1.1 质子交换膜燃料电池 1.1.1 质子交换膜燃料电池的发展现状 质子交换膜燃料电池更是由于它具有功率密度高、能量转换效率高、低温启 动快和无污染等优点，是目前很有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电 动汽车等交通工具的动力电源，市场前景相当可观。 质子交换膜燃料电池的发展己有约 50 年的历史。 1962 年美国通用电力公司开 重庆大学硕士学位论文 2 发出 pemfc 技术，pemfc 成功用于双子星座和 apollo 登月飞行。后来因为其他 燃料电池(如 pafc)在美国和日本试验成功而放慢了对 pemfc 的研究。直到 1983 年才重新开始对 pemfc 的研究，1993 年，第一个以 pemfc 为动力的电动客车出 现在加拿大。国外 pemfc 研究开发领域的权威机构是加拿大的 ballard 能源系统 公司。1989 年该公司在加拿大国防部资助下从美国国防部购买了电池技术，经过 十多年的研究开发成功地研制出了多种系列的 pemfc。1994 年以来 ballard 公司 先后与奔驰、 大众、 通用、 福特、 丰田、 日产等著名汽车公司合作开发出多种 pemfc 汽车。2003 年把各种 pemfc 电动车正式推向市场。加拿大国防部花巨资支持 ballard 公司研究这类电池，使 ballard 公司成为当今世界 pemfc 研发的先驱，其 pemfc 产品代表了当今的研究方向和最高水平。加拿大计划将 pemfc 发展成国 家的支柱产业，其 pemfc 技术已发展到实用阶段。美国将 pemfc 技术列为涉及 国家安全的技术之一。美国政府在燃料电池研究上已投入大量的资金，美国总统 布什在 2003 年时建议向燃料电池车用氢燃料的研究开发计划投入 12 亿美元。欧 盟也正在努力实现到本世纪中期将欧洲转变为氢经济的目标。欧洲执行委员会预 计，在未来 10 年，欧盟将投资 38 亿美元进行燃料电池的研发。日本政府认为， pemfc 技术是 21 世纪能源环境领域的核心， 提出了“20032004 年为燃料电池的 实用化时期，2010 年以后正式普及”的目标。产业界对应提出了“20032005 年为 市场导入阶段，20082010 年为正式普及的第 2 阶段”的计划。由于可望成为未来 理想的移动电源，尤其适合作为清洁汽车动力，因此各大汽车垄断公司纷纷联合 开发车用 pemfc，并在各自政府的支持下积极展开各种实验。短短几年时间投入 约 80 亿美元研制成功的质子交换膜燃料电池汽车达到 41 种，其中轿车/旅行车 24 种、城市巴士 9 种、轻载卡车 3 种。2003 年美国又宣布了一个投资 24 亿美元的发 展质子交换膜燃料电池电动汽车的计划(freedom car)，其中国家拨款 15 亿美元， 三大汽车公司投资 10 亿美元4。 国内质子交换膜燃料电池的研究热潮兴起于 90 年代，主要有中科院长春应化 所、中科院大连化物所，着重于 pemfc 的高分子薄膜、催化剂制备、电极加工工 艺的基础研究。随着 pemfc 的不断发展及广阔的应用前景，关于 pemfc 的研究 单位日益增多。除了清华大学、上海同济大学、武汉理工大学等院校单位外，还 出现了如北京富源、上海神力等为代表的企业公司。由 pemfc 电池堆用作汽车发 动机的研究也取得了不小的成就，比较突出的有上海同济的超越 1 号、超越 2 号 混合动力燃料电池轿车、武汉理工大学的楚天 1 号燃料电池电动汽车、清华大学 的氢能 1 号、氢能 3 号燃料电池大巴。2000 年中科院大连化学物理研究所与中科 院电工研究所已完成 30kw 车用质子交换膜燃料电池的全部试验工作。北京富原 公司也于 2001 年提供了 40kw 中巴用质子交换膜燃料电池并接受订货4。但是与 1 绪论 3 国外相比，我国在 pemfc 的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。 1.1.2 质子交换膜燃料电池的结构 图1.1 pemfc结构示意图 fig1.1 schematic diagram of pemfc 质子交换膜燃料电池（pemfc）的结构如图1.1所示，它包括阴极、阳极和质 子交换膜。其中阴极和阳极又分别包括集流板、流道、气体扩散层、催化层。集 流板用来收集电子为电池提供支撑作用；流道主要是均匀分配氧化剂、燃料以及 导出反应生成的热量。目前比较常用的流道形式有直流道、单蛇形和多蛇形流道、 交指形流道、网状流道、点状流道等。另外目前己经出现了一类比较特别的流道， 那就是具有分形结构的流场:气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，它一方面 为气体从流道扩散到催化层提供通道，另一方面对燃料电池的催化层起支撑作用。 气体扩散层孔隙率和孔径是其两个重要的参数；催化层的作用是使燃料和氧化剂 发生电化学反应，催化剂的好坏直接影响到燃料电池性能的好坏。目前催化剂多 采用pt或pt/c，这类催化剂非常昂贵，在燃料电池的成本中占较大比例。为了减少 催化剂的用量，一般将催化层做成粗糙多孔的结构，使其比表面积尽可能大，以 促进氢气和氧气的反应；质子交换膜(pem: proton exchange membrane或polymer electrolyte membrane)是质子交换膜燃料电池中一个非常重要的组件，它兼有隔膜 和电解质的作用；其隔膜作用就是阻止阴阳极之间气体相通以及电子透过，防止 氢氧混合发生爆炸；其电解质的作用是仅使质子通过，这样电子就被迫通过外电 路流动向外输出电能。目前常用的质子交换膜为全氟磺酸型固体聚合物，质子可 以自由地通过电解质在膜中迁移，但是质子的移动受质子交换膜润湿条件的制约， 重庆大学硕士学位论文 4 膜润湿越好，质子传递阻力越小，也就越容易通过。如果质子交换膜干涸，质子 传递则受阻，燃料电池性能就下降。 1.1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理 图1.2 质子交换膜燃料电池工作原理图 fig1.2 working principle of pemfc 质子交换膜燃料电池的工作原理如图1.2所示，当分别向阳极和阴极供给氢气 与氧气时，反应气体经扩散层扩散进入催化层，多孔阳极的氢被催化剂吸附并离 化为氢离子和电子，氢离子经由质子交换膜转移到阴极，电子在电极内传递至负 极集流板，经外电路负载流向阴极，在阴极催化层上和氢离子、氧原子结合成水 分子，生成的水通过电极随反应尾气排出。 图1.3质子交换膜燃料电池电堆示意图 fig1.3 schematic diagram of galvanic pile of pemfc 1 绪论 5 质子交换膜燃料电池的化学反应式为: 阳极反应:h2-2h+2e 阴极反应:1/2o2+2h+2e-h2o+热 电池总反应:h2+1/2o2h2o+电能+热 由总反应式可看出，质子交换膜燃料电池唯一的副产物是纯水。 质子交换膜燃料电池的单电池的理想电压为1.229v， 但是由于实际使用过中存 在各种极化，所以电压较低，一般为1v左右。实际使用的质子交换膜燃料电池多 为质子交换膜燃料电池堆，如图1.3所示，即由多个单电池在电流上串连，在气路 上并联的电池堆， 此时阴极流场板和阳极流场板“背对背”合二为一成为双极板， 双 极板的一侧流氧气(空气)，另一侧流氢气，双极板兼有导流和导电作用。有时根据 实际电流、电压和功率，需要实施多个电池组电路上的串、并组合。 1.2 质子交换膜燃料电池的双极板和流场 1.2.1 质子交换膜燃料电池的双极板 质子交换膜燃料电池堆中的双极板是燃料电池组的主要部件之一。 双极板主要 包括流场板、冷却板和增湿板，它们是电池组中体积最大和质量最重的组成部件。 他们分别起着分隔反应气体、收集电流、将各个单电池串联起来并通过流场为反 应气进入电极及排水提供通道的作用。高质量的流场板可以有效降低电池堆的尺 寸和重量。目前应用最多的是石墨流场板，由于需要精密的机械加工且造价较高， 约占电池堆成本的60%左右。为了降低电池成本和减轻重量，金属薄板和复合碳板 有望取代石墨流场板。 los alamos国家实验室、 荷兰的ecn和大连化物所均采用过 薄金属流场板。国际燃料电池公司和ballard公司正在探索使用碳黑和聚合物浇铸 成型的复合碳板。 双极板是pemfc的关键部件之一，其应具有以下功能和特点5: 用以分隔氧化剂(如氧气)和还原剂(如氢气、重整气)，要求有阻气功能； 具有收集电流的作用，是电的良导体； 必须是热的良导体，保证电池在运行时温度分布均匀，同时顺利排出废热； 具有分配气体的功能。极板两侧应有使气体均匀分布的通道或流场； 必须能抗腐蚀。 1.2.2 质子交换膜燃料电池的流场 流场板是双极板最重要的组成部件，流场设计的好坏极大的影响电池的性能。 对于大面积pem燃料电池，流场的作用显得尤为重要。电极工作面积加大过程中 流场设计不合理，往往是导致电池性能下降的主要原因。在燃料电池流场的研究 方面，至今己开发点状、网状、直流道、蛇形和交指形等传统流场。另外还有大 重庆大学硕士学位论文 6 量的新型流场被设计出来。 a 单通道蛇形流畅 b直通道蛇形流场 c多通道蛇形流道 d交指型流道 e螺旋流道 f网格流场 图1.4 常见流场示意图 fig1.4 schematic diagram of familiar flow field 开发优良的流场是提高质子交换膜燃料电池(pemfc)性能的一个核心因素。 流场结构决定反应剂与生成物在流场内部流动状态，以及电池长期运行的稳定性。 设计合理的流场应该能均匀分配电池所需燃料与氧化剂，保证电流密度均匀分配； 同时将电池生成的水随尾气及时顺利地排出。在pemfc发展过程中，各国研究人 员一直在改进流场设计1112。双极板还起集流、为电池提供支撑作用。双极板占 到电堆60%的重量和30%的成本。因此电堆重量、体积、成本的降低在很大程度上 要依赖于流道分布的改善和低密度材料的应用13。对于大面积pem燃料电池，流 场的作用显得尤为重要。电极工作面积增大的时候，流场设计不合理往往是导致 电池性能下降的主要原因14。pemfc双极板上流道的几何设计应能够满足如下基 本要求: 增强气体对流与扩散能力：在反应气体供应量一定的情况下，流道形式的 设计应使电极各处均能够充分获得反应气体。这项功能对于一个大面积的电极尤 为重要。当电极某处反应气体供应不足时，该处电化学反应速率将减缓甚至无法 进行，不仅会造成电池性能严重下降，同时会导致由于电流密度分布不均，造成 的局部过热； 选择最佳双极板开孔率:根据电极结构与双极板材料的导电特性，流道沟槽 与脊的面积比应该有一个最优值。流道沟槽面积和电极总面积之比一般称为双极 1 绪论 7 板的开孔率，其值一般应在45%75%之间。开孔率过高会造成电极与双极板之间 的接触电阻过大而增加电池的欧姆极化损失，尤其是对于工作在高电流密度下的 电池(如工作电流密度达到1a/cm2或更高时)； 开孔率过低不仅会降低催化剂的利用 效率，还会增加反应气体的流动阻力，进而消耗更多的能耗； 降低气体的阻力:在一定流量下，反应剂通过流场的压力降要适中且平均。 一般压力降在千帕的数量级。压力降太大会造成过高的动力损失，压力降太小则 不利于反应气体向扩散层、催化层的传输。 国外国外质子交换膜燃料电池流场形式研究现状 在燃料电池流场的研究方面，国外起步较早，从20世纪70年代起，大量加以改 进的新型流场被设计出来。例如johnson等15设计了一种斜流道流场，它是直流道 流场的一种改进形式。这种流场沿流动方向流道的尺寸逐渐变大或者变小，相邻 的两个流道的进口和出口尺寸都不一样。另外他还设计了一种波纹型流场，它也 是直流道流场的一种改进形式，它的流道成波纹型，流道截面成正弦函数式变化。 他的设计思想就是在相邻的流道之间形成压力差从而使反应气体能够更好的扩散 到岸的下面，这种设计可能使压力损失有所增加，但还是要比相同情况下的蛇形 流场要小，同时更利于液态水的排出。yang等16设计了一种带障碍的直流道流场， 它是直流道流场的一种改进形式，它是在进气总管进口和流道进口之间加一个进 气管，以起到增加流动阻力、增大压差从而使反应产物水易于排出。watkins等17 设计了一种多蛇形流场，相对单蛇形流场来说，它极大的降低了压力损失，因此 可以降低附属设备的消耗，可以增加电池堆的输出功率。但是这种设计的每个流 道仍然很长，因此每个流道的气体浓度还是很不均匀。gurau等18设计了一种改进 的交指形流场，它是一种扇形结构，出口处岸的宽度要小于进口处岸的宽度。它 主要考虑到沿流道方向的消耗，这样可以使各处的浓度分布比较均匀。issacci和 rehg19设计了一种交指形流场，这种流场是采用多孔的材料作为岸的材料，反应 生成的水通过毛细压力排出到出口管路。rock等20设计了一种在薄金属片的两面 分别印上蛇形和交指形流场， 作为相邻两个电池的阴阳极。 a.chapman等21提出一 种模仿动物的肺和植物的纤维的流场。这种流场相对于蛇形流场来说，压力损失 要小，但是气体分配效果要好得多，因此发出的电能要多一些。 h. dohle等22研究了长蛇形流道质子交换膜燃料电池的电压沿流道方向的变 化情况。ruy sousa jr等23认为数值模拟在质子交换膜燃料电池的研究中起很重要 的作用。 lin wang等24通过实验研究了交指形流道的质子交换膜燃料电池的性能， 并且采用三维数学模型对其进行数值模拟模拟结果与实验数据很好的吻合。kui jiao等24采用商业化computational fluid dynamics (cfd)软件包fluent对带进气和 排气总管的质子交换膜燃料电池多蛇形流场的阴极侧进行数值模拟，结果表明对 重庆大学硕士学位论文 8 于不同的电池在不同的时间，水的分布和压降变化是很大的。通过对流道和进气 总管流动模式的研究，找到了几个这种类型的多蛇形流场的气体流动问题，并且 提出了一些有用的建议。a.kazim26建立了一个二维、等温、非等压交指状流场与 直通道型流场相比较的pemfc数学模型，忽略催化层厚度及液态水，采用darcy 定律和有效扩散的标准扩散方程来描述气体在扩散层内的传递， 采用butler-volmer 方程描述电化学反应。对于交指状流场和直通道型流场，边界条件不同而控制方 程一样，没有考虑膜内水的电迁移对电池过电位的影响。模型计算结果表明，电 池采用交指状流场比直通道流场性能更优越，采用交指状流场的燃料电池极限电 流密度是直通道流场的3倍。 a.s.arico等27比较蛇形流场和交指形流场的直接甲醇燃料电池的性能认为， 蛇 形流场的dmfc在低电流时性能较好， 而交指形流场的dmfc在高电流密度时性能 较好。f.barre