【摘 要】
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随着现代社会经济的飞速发展,能源消耗也在不断攀升,清洁能源越来越受到人们的重视。氢能源作为一种可再生的清洁能源,具有来源广泛、能量密度大、储运方便、清洁无污染等特点,这使其成为了当下最好的选择。而质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）具有的不受卡诺循环限制、能量转换率高、工作温度低等优点也使其在交通运输方面具有广阔前景。质子交换膜燃料
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随着现代社会经济的飞速发展,能源消耗也在不断攀升,清洁能源越来越受到人们的重视。氢能源作为一种可再生的清洁能源,具有来源广泛、能量密度大、储运方便、清洁无污染等特点,这使其成为了当下最好的选择。而质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）具有的不受卡诺循环限制、能量转换率高、工作温度低等优点也使其在交通运输方面具有广阔前景。质子交换膜燃料电池的性能受到诸多因素的限制,在电池工作过程中,生成的大量水和热相互关联,相互影响,合理的水热管理是提高电池输出性能的必要条件。本文建立了质子交换膜燃料电池的数学模型,将模拟结果与已有的实验结果进行对比,验证了模型的准确性,又进行网格无关性验证确定了合适的网格数量。进行的研究工作如下:首先,在尺寸较小的U型流道电池阴极的催化层与气体扩散层中插入微孔层,研究微孔层接触角、孔隙率、厚度对电池性能、液态水和温度分布的影响。发现电池阴极液态水含量随着微孔层接触角、孔隙率、厚度的增大而增加。由于阴极催化层内液态水堆积会影响电池的反应速率,因此电池性能随微孔层接触角、孔隙率、厚度的增大而降低。电化学反应生成的热量与电池的电流密度相关,因此膜电极内部的温度随接触角、孔隙率、厚度的增大而降低。其次,研究了阴极催化层的接触角、厚度、聚合物体积分数对电池性能、膜电极内液态水和温度分布的影响。发现电池阴极液态水含量随催化层接触角的增大而减小、随催化层厚度、聚合物体积分数的增大而增加,但当接触角大于100°、聚合物体积分数大于0.7时不再变化。电池性能随催化层接触角、聚合物体积分数的增大而升高;催化层厚度的变化对电池性能几乎没有影响。最后,建立了五种不同流道结构的电池模型,通过改变蛇形流道电池内微孔层结构参数验证U型流场中的规律在蛇形流场中同样适用。对比分析不同流道结构对电池性能、液态水和温度分布的影响,发现交指流道膜电极内液态水含量和温度分布受微孔层参数的影响最小,电池性能最高。
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