【摘 要】
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近年来,随着我国工业制造能力的增强,市场对于便携式设备的需求显著增加。对于目前市场中的便携式设备,例如笔记本电脑和智能手机,电源多采用锂离子电池等,但存在充电时间较长、衰减较快等不足。质子交换膜燃料电池由于其高能量密度、低重量、较小的体积以及不产生任何污染成为目前强有力的能源候选。相比于传统小型质子交换膜燃料电池,自呼吸式质子交换膜燃料电池（air breathing proton exchang
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近年来,随着我国工业制造能力的增强,市场对于便携式设备的需求显著增加。对于目前市场中的便携式设备,例如笔记本电脑和智能手机,电源多采用锂离子电池等,但存在充电时间较长、衰减较快等不足。质子交换膜燃料电池由于其高能量密度、低重量、较小的体积以及不产生任何污染成为目前强有力的能源候选。相比于传统小型质子交换膜燃料电池,自呼吸式质子交换膜燃料电池（air breathing proton exchange membrane fuel cell,AB-PEMFC）具有无需移动部件（外部加湿仪器,风扇或泵）、高效率、使用寿命较长以及系统简单等优点,在未来便携式电子设备市场中具有巨大的发展前景。因此,对于AB-PEMFC的性能优化研究意义重大。首先,本论文选取平面式AB-PEMFC作为研究对象,建立了基于平板式ABPEMFC的三维多相模型,并通过与实验数据进行对比,验证了该仿真模型的可靠性;探究了燃料电池工作时电化学反应以及其传热传质过程,并对AB-PEMFC内部各组分分布进行深入研究分析。结果表明,相对于传统平行流场结构,采用窗口式结构可以有效提高阴极反应气体的供给。因此,本文后续研究工作均针对窗口式结构电池展开。然后,本论文基于构建的三维模型,对平面窗口式结构进行优化。通过对比阴极集流板开口率以及开口形状等参数,发现了开口率55%时为最佳开口率,可以大幅提升电池性能;明晰了方形开口形状的电池性能优于其他开口形状的规律。利用优化的窗口式结构分析了GDL压缩率的影响,研究指出在该窗口式流道配置下的GDL最佳压缩率约为17%;同时,存在最佳的空气相对湿度以及运行温度。最后,本论文研究了不同阳极流场电堆内部多组分分布特性。对比阳极采用蛇形流场的电堆,窗口式流场电堆可以在阳极侧获得更加均匀的速度场、压力场分布,在阴极侧也会获得更加均匀的氧气及反应速率的分布,从而克服传统蛇形流场沟脊区域氧气浓度分布差异较大的问题,使得窗口式电堆中每个单电池的输出电压明显增加,电堆整体性能显著提升。
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