PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计

1、PEM燃料电池金属双极板流场参数数值模拟与设计质子交换膜燃料电池（ Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC ）具有转化效率高、环境友好、室温快速启动等突出特点, 是非常有前景的清洁高效的能源装置。然而 ,PEM燃料电池成本太高 , 阻碍其商业化发展。双极板作为质子交换膜燃料电池中的关键部件, 其成本占据着 PEM燃料电池总成本的30-45%,金属双极板由于其良好的加工性、导电性、机械抗冲击性能以及低成本, 成为 PEM燃料电池研究的热点。双极板材料的选择、流场形式以及流场参数对金属双极板加工成形性能以及燃料电池的输出性能有着重要影响, 尤其是双极板流道

2、尺寸的微尺度化, 使双极板与宏观尺度下材料的成形性能以及流道中流体流动有所区别。本文运用数值模拟方法和实验方法研究了奥氏体304 不锈钢和新型 Fe-Ni-Cr合金双极板的冲压成形性能 , 分析了成形工艺和流场参数对塑性成形的影响; 此外 , 利用微流体可视化测速技术对双极板微流道中水流动进行测试分析, 并且通过测速结果对Fluent 软件数值模拟方法进行修正, 提高燃料电池性能数值模拟的可靠性。本文的研究工作和结果有如下几个方面: （1）通过 304 不锈钢双极板拉伸试验 , 研究了应变速率对塑性变形的影响, 对拉伸试样进行物相分析和微观形貌测试, 结果表明奥氏体 304 不锈钢塑性变形时产

3、生应变诱发马氏体相变, 马氏体相变提高了材料的塑性变形能力。通过 J-C 模型建立本构关系曲线 , 与实验结果拟合较好 ; （ 2）采用 Dynaform有限元软件建立三维模型, 对 304 不锈钢和合金双极板冲压成形过程进行数值模拟 , 根据成形极限图（FLD）和板料减薄情况预测和消除成形中的起皱和破裂缺陷,从而得到最佳成形工艺和安全的流场尺寸范围, 对数值模拟进行实验验证, 实验结果与数值模拟吻合度较高。 研究结果表明合金与常用的304 不锈钢双极板成形性能相差不大 , 是一种非常有前景的双极板材料;（3）利用 CFD软件 Fluent 中的燃料电池模块建立燃料电池的三维数学模型, 对电池

4、输出功率的影响因素进行了研究 , 主要考虑了双极板材料、 流场尺寸以及流场类型等因素的影响, 数值模拟结果表明 , 随着电流密度的升高 , 电压逐渐降低 , 而功率密度随着电流密度的增加先增大 , 达到峰值后随着电流密度的继续增加而降低。在低电流密度下 , 双极板材料、沟槽宽度、沟槽深度对燃料电池性能影响较小, 随着电流密度的增加 , 上述因素对电池输出性能影响较大。用雕刻有蛇形流道的石墨和镀氧化物膜的304 不锈钢双极板 , 组装成单电池对其进行性能测试 , 石墨双极板单电池电流密度加载到3.6 A·cm^-2时 , 功率密度达到 1.4

5、 W ·cm^-2左右 , 而镀氧化物膜的 304 不锈钢双极板电流密度加载到 0.9 A ·cm^-2时, 功率密度达到最大值 0.38 W·cm^-2, 电流密度继续增大时 , 输出功率密度下降。镀氧化物膜的304 不锈钢双极板单电池输出性能的数值模拟结果远小于实验测试结果, 这是因为数值模拟模型忽略了微流道壁面性质对流体流动的影响, 不能真实的反应燃料电池的工作情况。（4）利用微流体技术 , 对双极板微流道中水流动进行微流体可视化研究 , 重点分析了双极板材料、壁面性质以及表面改性工艺对水流速的影响 ,Micro-PIV 测速结果表明石墨和 304 不锈钢双极板微流道中水的流动类型为层流。最大流速与表面状态有关 , 数值模拟计算的最大流速与表面状态无关 , 且实验结果与数值模拟结果相差较大。 通过可视化测速结果对数值模拟方法进行修正 ,提高数值模拟的可靠性。修正后的数值模拟计算性能与实验测试结果相差较小,因此采用微流体技术对燃料电池进行输出性能研究是比较有效的方法。本文通过金属双极板冲压成形的数值模拟和实验研究, 分析了双极板塑性成形的规律 , 为金