PAGE附件2青島大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告學(xué)生姓名學(xué)號(hào)學(xué)院專業(yè)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目燃料電池金屬雙極板V形配流區(qū)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)第一章緒論1.1選題的目的和意義隨著環(huán)保和有限能源資源意識(shí)的日益上升，燃料電池越來(lái)越受關(guān)注。燃料電池是一種直接將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置，中間不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因此不受卡諾循環(huán)的限制，徹底地改變了傳統(tǒng)化石能源從化學(xué)能一熱能一機(jī)械能一電能的轉(zhuǎn)化路徑，極大的提高了能量轉(zhuǎn)化率，降低了顆粒物、氮化物以及硫化物等污染物的排放，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，廣泛的應(yīng)用在車輛和便攜設(shè)備以及發(fā)電領(lǐng)域。金屬雙極板材料在燃料電池應(yīng)用上有著極大的優(yōu)勢(shì)，能降低燃料電池成本，促進(jìn)其商業(yè)化。圖1燃料電池本文針對(duì)金屬雙極板V形配流區(qū)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)金屬雙極板的各項(xiàng)參數(shù)分析，可以提升電池性能、提高效率、延長(zhǎng)壽命、降低成本、促進(jìn)燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用等，為燃料電池高效可靠工作奠定基礎(chǔ)。提升反應(yīng)氣體分布均勻性，V形配流區(qū)的設(shè)計(jì)直接影響反應(yīng)氣體在電池內(nèi)的分布。優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠確保氣體均勻分布，避免局部反應(yīng)不足或過(guò)剩，從而提高電池性能。增強(qiáng)電池效率，通過(guò)優(yōu)化V形配流區(qū)的幾何參數(shù)，如角度、深度和寬度，可以減少氣體流動(dòng)阻力，降低壓降，提升電池的能量轉(zhuǎn)換效率。改善電池管理，優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于更好地管理電池內(nèi)部的液體，防止水淹或膜干燥，確保電池穩(wěn)定運(yùn)行。延長(zhǎng)電池壽命，均勻的氣體分布和良好的水管理能減少局部熱點(diǎn)和腐蝕，降低材料損耗，延長(zhǎng)電池壽命。降低制造成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減少材料浪費(fèi)，簡(jiǎn)化制造工藝，從而降低生產(chǎn)成本。適應(yīng)不同工況，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)多種工作條件，提升電池的適應(yīng)性和可靠性。推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，該優(yōu)化研究有助于推動(dòng)燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)其在新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)下面對(duì)燃料電池金屬雙極板V形配流區(qū)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析梳理，核心關(guān)鍵問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面：圖2燃料電池1.2.1雙極板流場(chǎng)Chen等人研究了具有波狀平行流場(chǎng)的質(zhì)子交換膜燃料電池，如圖3所示。研究結(jié)果表明，波狀平行流場(chǎng)在促進(jìn)反應(yīng)氣體傳輸、去除液態(tài)水以及避免膜熱應(yīng)力集中等方面要優(yōu)于傳統(tǒng)的平行流場(chǎng)。由于波狀流道的波動(dòng)特征，波狀平行流場(chǎng)的氣體流速比常規(guī)平行流場(chǎng)更均勻。此外，采用大振幅和短波長(zhǎng)的波狀平行流場(chǎng)可以再次改善性能，提高PEMFC的輸出功率。具體來(lái)說(shuō)，在工作電壓為0.6V時(shí)，波狀平行流場(chǎng)的最大功率比傳統(tǒng)平行流場(chǎng)高出34.75%。Zhang等人通過(guò)數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析，探討了氣體擴(kuò)散層(GDL)的孔隙率、進(jìn)氣速度、溫度、長(zhǎng)度、寬度和深度對(duì)蛇形(SFF)質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響，并建立8種蛇形流場(chǎng)，通過(guò)研究SFFPEMFC的電化學(xué)性能證明了其有效性。結(jié)果表明，8通道復(fù)合SFF的流場(chǎng)性能最優(yōu);最佳寬度一深度組合為寬1.2毫米、深0.8毫米;與進(jìn)水速度和溫度相比，GDL孔隙率是影響SFFPEMFC水分布、電流密度分布和氧分布的主要因素。Arvay等人設(shè)計(jì)并模擬了多種結(jié)構(gòu)的交指狀流場(chǎng)，并對(duì)分支數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。不同設(shè)計(jì)的流道與脊的寬度比值保持相同，介于0.8和1.0之間。對(duì)每種設(shè)計(jì)的陽(yáng)極和陰極側(cè)的壓降和電流密度分布進(jìn)行探究。結(jié)果表明，具有9個(gè)分支流道的交指流場(chǎng)設(shè)計(jì)顯示出更低的壓降和更好的電流密度分布。在總分支數(shù)相同的情況下，不同的分支模式對(duì)壓降影響不大，但會(huì)改變電流密度分布。在不增加流道長(zhǎng)度前提下，增加脊下對(duì)流區(qū)面積可以有效降低壓降。Guo等人開發(fā)了一種網(wǎng)格優(yōu)化程序來(lái)優(yōu)化點(diǎn)狀流場(chǎng)設(shè)計(jì)。研究了在考慮和不考慮沿流道反應(yīng)物消耗的兩種情況下的流量分布，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的流場(chǎng)4。數(shù)值模擬結(jié)果表明，兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)都比常規(guī)點(diǎn)狀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了明顯更優(yōu)的。圖3燃料電池電池性能，并且第二種效果更好，這表明考慮反應(yīng)物消耗在流場(chǎng)優(yōu)化模型中的重要性.Daniel，等人建立了流道數(shù)量為1,2,3,4,6和8個(gè)的同心螺旋形流場(chǎng)模型。通過(guò)比較六種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的電流密度大小、壓降、電流分布，探究燃料電池性能。結(jié)果表明，流道數(shù)量對(duì)電池性能有很大影響，最佳值介于3或4個(gè)通道之間。增加流道數(shù)量對(duì)電池性能的改善并不明顯，并且會(huì)使制造變得更加復(fù)雜。1.2.2流場(chǎng)仿真技術(shù)仿生流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是新型流場(chǎng)的一個(gè)重要分支與發(fā)展方向。受自然界動(dòng)植物的生物組織啟發(fā)，研究者從中提煉出仿生模型，用于得到壓降最小、輸出功率最高和氣體分布均勻的流場(chǎng)，具體研究如下:Kang等人設(shè)計(jì)了圖1-11所示的兩種仿生葉形流場(chǎng)設(shè)計(jì)(銀杏葉和網(wǎng)狀葉)，并研究了它們對(duì)PEMFC性能的影響。銀杏葉形和網(wǎng)狀葉形流場(chǎng)設(shè)計(jì)提供的最大功率密度分別比平行流場(chǎng)高40%和24%。銀杏形流道所需的進(jìn)氣功率是蛇形流場(chǎng)的3%。此外，銀杏形設(shè)計(jì)的排水能力高于平行流場(chǎng)。因此，在各種流道設(shè)計(jì)中，仿銀杏葉形設(shè)計(jì)具有最優(yōu)性能。圖4燃料電池圖5燃料電池Wang以質(zhì)子交換膜燃料電池為對(duì)象，根據(jù)生物葉片和Muarry定律提出了一種仿樹葉流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1-12，并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究其性能。結(jié)果表明，仿生流場(chǎng)和多蛇形流場(chǎng)相比，仿生流場(chǎng)的氫氣、氧氣與水的摩爾濃度分布更加均勻，并且還大幅降低了流道中的壓降。在相同條件和幾何尺度下，采用仿生流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的燃料電池的最大輸出功率比采用蛇形流場(chǎng)的燃料電池提高了7.5%。1.2.3金屬雙極板圖6燃料電池Kappelt和Hornung使用耐點(diǎn)蝕當(dāng)量選擇不同的鐵基材料作為雙極板并對(duì)其進(jìn)行排序，同時(shí)將這些合金的性能與鎳基合金和鐵基鍍金合金進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明鍍金合金具有合適的接觸電阻。Kim等研究了十一種不同合金的不銹鋼暴露在模擬PEM磺酸溶液中的接觸電阻，并展示了將PRE數(shù)加入過(guò)鈍化電位和接觸電阻值中的大量結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)Cr和Mo降低了接觸電阻值，尤其是Mo能影響PRE數(shù)，在降低鈍化膜的接觸電阻中起著重要作用，這些結(jié)論只適用于室溫。在PEM電池操作溫度60-900C，不銹鋼的腐蝕速率隨著溫度增加而升高Kumagai等研究了310和304不銹鋼在模擬PEM燃料電池運(yùn)作酸性環(huán)境下的腐蝕行為，根據(jù)動(dòng)電位極化曲線發(fā)現(xiàn)304不銹鋼易腐蝕，而310不銹鋼耐腐蝕性較好，這主要是因?yàn)榻饘俦砻嫘纬闪朔€(wěn)定的鈍化膜。但是不能只考慮極化結(jié)果，因?yàn)樾纬傻拟g化膜增加了接觸電阻，致使燃料電池功率密度降低。過(guò)去二十年中，大量的研究工作集中在不銹鋼雙極板的設(shè)計(jì)和仿真制造上，使其性能得到了快速和持續(xù)的改善。1.2.4雙極板流道的模擬計(jì)算目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)金屬雙極板成形工藝相關(guān)研究較少，文獻(xiàn)中有關(guān)金屬雙極板的成型工藝有液壓成形，模壓成型，，雕刻，電磁成形，滾壓成形，微電火花仿真，微細(xì)電化學(xué)仿真，深刻電鑄模造技術(shù)等。Peng和Mahabunphacha等研究了液壓成形計(jì)算金屬雙極板。圖7燃料電池Jin等在不銹鋼雙極板模擬仿真中采用動(dòng)態(tài)負(fù)載以減少成形缺陷，研究了不同負(fù)載條件下成形的雙極板流場(chǎng)深度和形狀對(duì)電池性能的影響，同時(shí)評(píng)估了模具尺寸對(duì)電池性能的影響。Jin等采用軟膜成形計(jì)算了SUS304不銹鋼雙極板，分析了TiN,CrN和CrN/TiN鍍層對(duì)計(jì)算的不銹鋼雙極板表面粗糙度、表面硬度以及表面接觸電阻等性質(zhì)的影響。Mahabunphachai等研究了流動(dòng)和液壓成形計(jì)算的304不銹鋼，SS316L,SS430,Ni270等幾種金屬雙極板成形性和表面形貌，結(jié)果表明與其他金屬相比SS304,SS316L具有更好的成形性，在液壓成形中，壓力對(duì)金屬板成形性影響較大。Lee等通過(guò)微細(xì)電化學(xué)仿真計(jì)算金屬雙極板，分析了成形參數(shù)對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。模擬仿真是金屬材料基本的計(jì)算手段之一，其原理是通過(guò)模具在液壓設(shè)備的作用下對(duì)坯料施加壓力，使板坯產(chǎn)生塑性流動(dòng)，獲得人們所需的特定形狀、尺寸和性能的工件。目前，流動(dòng)仿真技術(shù)無(wú)論是在大尺寸產(chǎn)品還是微小零件制造方面都有十分廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于其它的塑型計(jì)算手段，模擬仿真技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):(1)生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化及機(jī)械化程度高，操作簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行大批量的生產(chǎn);(2)雙極板流動(dòng)區(qū)的表面質(zhì)量好，形狀和尺寸精準(zhǔn)，成本低廉;(3)材料的利用率高，可以節(jié)約原材料;(4)能夠仿真形狀復(fù)雜、尺寸較小的零件。因以上特點(diǎn)，模擬仿真工藝在計(jì)算一些特定工件時(shí)所具備的優(yōu)勢(shì)是其它制造方法所不能比擬的。圖8燃料電池與流動(dòng)仿真技術(shù)相比，其它金屬雙極板的仿真方法有如下特點(diǎn):液壓脹形的生產(chǎn)效率低，由于是高壓液體，仿真過(guò)程中裝置必須密封，對(duì)設(shè)備要求高，對(duì)于復(fù)雜尺寸的板料其填充滿模具型腔的過(guò)程非常困難;磁脈沖成形因其原理特性，無(wú)法仿真大尺寸的雙極板，其成形裝置中的復(fù)合板耐磨性很差，壽命較短;電化學(xué)刻蝕仿真過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)品成形率低，雙極板流場(chǎng)表面不平整，尺寸不穩(wěn)定，對(duì)氣體的流動(dòng)產(chǎn)生影響，流體分布不均，經(jīng)濟(jì)效益差;目前研究開發(fā)的金屬雙極板的仿真成形技術(shù)有多種，各有優(yōu)點(diǎn)，但與模擬仿真技術(shù)相比缺點(diǎn)也顯而易見，金屬雙極板采用流動(dòng)技術(shù)不但設(shè)備要求簡(jiǎn)單，其仿真效率也高。因此，采用模擬仿真工藝計(jì)算金屬雙極板可以降低金屬雙極板制造成本。流動(dòng)是通過(guò)模具使板材產(chǎn)生塑性流動(dòng)而獲得成品零件的一種成形工藝方法。金屬薄板流動(dòng)通常是在冷態(tài)下進(jìn)行，因此也稱為冷流動(dòng)。從本質(zhì)上看，模擬仿真就是毛坯的流動(dòng)區(qū)在外力作用下產(chǎn)生相應(yīng)的塑形流動(dòng)，所以流動(dòng)區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)和流動(dòng)性質(zhì)是決定模擬仿真性質(zhì)的基本因素。薄板流動(dòng)性能是指板材對(duì)流動(dòng)仿真的適應(yīng)能力，對(duì)薄板流動(dòng)性能的研究具有非常重要的意義。圖9燃料電池1.2.5雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬雙極板作用之一就是為燃料電池電化學(xué)反應(yīng)提供足夠的反應(yīng)氣體，同時(shí)使反應(yīng)氣體在運(yùn)輸過(guò)程中均勻地分布在電池中，因此，雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)是影響電池輸出性能的一個(gè)重要因素。在中，研究過(guò)的流場(chǎng)種類很多，己開發(fā)的流道形式有平行流道、蛇形流道、多通道蛇形流道、交指形流道、網(wǎng)狀和點(diǎn)狀流道等。這些流道形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前，實(shí)際應(yīng)用較多的是流場(chǎng)形式是平行流場(chǎng)，平行流場(chǎng)最主要的特點(diǎn)是有利于減小壓力降從而提高效率，但是由于流場(chǎng)分流的不均勻性使得流道內(nèi)反應(yīng)物濃度分布不均勻，且平行流場(chǎng)易堵水，導(dǎo)致活性面積降低從而影響電池輸出性能。而蛇形流場(chǎng)是為了克服平行流場(chǎng)的不足而提出來(lái)的，能快速的排除電化學(xué)反應(yīng)生成的水，但是面積較大的雙極板，過(guò)長(zhǎng)的流道導(dǎo)致壓力降增大和電流密度分布不均等;多通道蛇形流道的設(shè)計(jì)涵蓋了蛇形流道和直流道，具有較大的靈活性，可以設(shè)計(jì)出不同的形式來(lái)滿足需求;交指形流道很大程度上提高了功率密度，但是由于擴(kuò)散層阻力較大，氣體壓力降很大，當(dāng)氣體曳力較大時(shí)，容易破壞催化層，此外，容易形成短路或者溝流的情況;網(wǎng)狀流場(chǎng)設(shè)計(jì)上更靈活，但是排水能力差，且流場(chǎng)與分隔板之間的接觸電阻較大。雙極板的流場(chǎng)形式和流場(chǎng)尺寸決定著流場(chǎng)中燃料和氧化劑的流動(dòng)狀態(tài)，從而影響著電池的輸出性能。流場(chǎng)設(shè)計(jì)必須考慮流場(chǎng)形式、流場(chǎng)尺寸對(duì)電池性能的影響，同時(shí)還要結(jié)合流場(chǎng)板所用材料以及材料的可塑性和可仿真性來(lái)確定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)分析電池內(nèi)部反應(yīng)氣體濃度、電流密度分布以及水熱管理等來(lái)達(dá)到流場(chǎng)設(shè)計(jì)的目的比較困難，目前，常用的研究方法是借助于數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法結(jié)合comsol流體分析軟件來(lái)直觀的了解電池內(nèi)部組分傳輸情況、水熱管理和電池輸出性能等，從而對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，理論和數(shù)值模擬結(jié)合的方法能有效的獲取實(shí)驗(yàn)手段得不到的結(jié)果，同時(shí)大大地縮減了流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的周期，降低了電池研究的成本，是一種低成本、方便快捷的燃料電池研究途徑。圖10燃料電池Jer-HuanJan等通過(guò)三維模型數(shù)值模擬研究了平行流道流場(chǎng)、Z型流場(chǎng)和蛇形流場(chǎng)三種不同類型對(duì)性能的影響，研究表明蛇形流場(chǎng)性能最好，Z-型流場(chǎng)次之，平行流場(chǎng)性能最差。王科建立了燃料電池的陰極半電池三維模型，采用商用comsol軟件分析了陰極流道和擴(kuò)散層中氣體和水的分布等，討論了不同流道類型(直通道和交指形通道)和流道尺寸參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)的影響，并通過(guò)直通道、交指形通道和多通道蛇形流場(chǎng)單電池的組裝簡(jiǎn)單測(cè)試分析了電池性能，結(jié)果表明多通道蛇形流場(chǎng)單電池性能最優(yōu)。但是其單電池測(cè)試中所采用的直通道、交指形通道流場(chǎng)雙極板為銅板，而多通道蛇形流場(chǎng)雙極板為石墨板。Waktins等對(duì)單通道蛇形流場(chǎng)的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明溝槽寬度在1.14-1.4mm,脊寬在0.89-1.4mm，溝槽深度在1.02-2.04mm范圍內(nèi)時(shí)電池的性能較好。劉坤通過(guò)CFD軟件comsol中的燃料電池模塊和兩相流模型對(duì)燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸以及流場(chǎng)截面形狀進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明在低電流密度下，溝槽寬度與脊寬比越小，電池性能越好，而高電流密度下，溝槽寬度與脊寬比為1:1(0.5:0.5)時(shí)，電池性能最好;與矩形、三角形和燕尾形流場(chǎng)截面相比，半圓形的流場(chǎng)截面形狀對(duì)于電池是最有利的。Hentall等研究了石墨雙極板流場(chǎng)尺寸對(duì)電池性能的影響，并對(duì)流場(chǎng)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，得出流場(chǎng)溝槽寬度與脊寬為1:1和1:2(mm)時(shí)電池的輸出性能較好。參考文獻(xiàn)鐵宇,王洪建,金文龍,毛祥,鄒戈陽(yáng).中國(guó)燃料電池行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].油氣與新能源,2025,37(01):17-23.劉暢輝,李鑫,杜詳永,蔣成紅,周振峰.基于機(jī)器視覺(jué)的金屬雙極板質(zhì)量缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2025,53(03):1-11.王永,李偉,李秀蘭,蔣嘯,周新軍.鈦金屬雙極板的計(jì)算工藝進(jìn)展[J].稀有金屬,2025,49(02):230-246.袁蘊(yùn)超.燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證與提升[J].電池工業(yè),1-8.YuFeiXie,JiaMingLiu,QianHu,ShuoSu,XiuxinZhang,XiaopengLu,HongQiangFan,XianZongWang.Comparativestudyofmixed-andalternating-layerC/Crcoatedmetalbipolarplatesunderhighpotentialstowardprotonexchangemembranefuelcells[J].CorrosionScience,2025,246112728-112728.JulianaKessler,OlivierDonzelGargand,DmitriiMoldarev,ClaudiaFranzén,DanielPrimetzhofer,UlfJansson,ErikLewin.Magnetronsputteringoftitaniumcarbonitridenanocompositecoatings—Doesthechoiceofcarbonsourceaffectfilmproperties?[J].Surface&CoatingsTechnology,2025,498131830-131830.陳棟,黨博,楊凱,孟祥樂(lè),魏東博,李淑琴,張平則.過(guò)渡金屬氮化物雙極板涂層研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2025,54(03):39-61.BogeunChoi,SeongsuIm,SeguJang,YoungseungNa.Effectsofflowfieldcombinationinprotonexchangemembranefuelcellsonwatermanagement[J].ElectrochimicaActa,2025,515145672-145672.賈俊良.金屬材料鈦合金在化工設(shè)備裝置中的應(yīng)用[J].熱固性樹脂,2025,40(01):74.李帥,翟志華,孫海東,邵明昊,姜金龍.燃料電池不銹鋼雙極板表面CrNx薄膜的計(jì)算及性能[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2025,46(01):143-153.HutchinsonlaunchesaninnovativebipolarplateprojectsupportedbyFrance2030Programforthefutureoffuelcells[J].M2Presswire,2025,MohammadhosseinJohar,LeilaMoradizadeh,AbhayGupta,YasinMehdizadehChellehbari,XianguoLi,SamanehShahgaldi.Develo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