PAGE附件2青島大學本科畢業論文（設計）開題報告學生姓名學號學院專業畢業論文（設計）題目燃料電池金屬雙極板V形配流區參數優化設計第一章緒論1.1選題的目的和意義隨著環保和有限能源資源意識的日益上升，燃料電池越來越受關注。燃料電池是一種直接將燃料化學能轉化為電能的能量轉化裝置，中間不經過燃燒過程，因此不受卡諾循環的限制，徹底地改變了傳統化石能源從化學能一熱能一機械能一電能的轉化路徑，極大的提高了能量轉化率，降低了顆粒物、氮化物以及硫化物等污染物的排放，被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術，廣泛的應用在車輛和便攜設備以及發電領域。金屬雙極板材料在燃料電池應用上有著極大的優勢，能降低燃料電池成本，促進其商業化。圖1燃料電池本文針對金屬雙極板V形配流區參數優化問題，采用數值模擬的方法，對金屬雙極板的各項參數分析，可以提升電池性能、提高效率、延長壽命、降低成本、促進燃料電池的商業化應用等，為燃料電池高效可靠工作奠定基礎。提升反應氣體分布均勻性，V形配流區的設計直接影響反應氣體在電池內的分布。優化設計能夠確保氣體均勻分布，避免局部反應不足或過剩，從而提高電池性能。增強電池效率，通過優化V形配流區的幾何參數，如角度、深度和寬度，可以減少氣體流動阻力，降低壓降，提升電池的能量轉換效率。改善電池管理，優化設計有助于更好地管理電池內部的液體，防止水淹或膜干燥，確保電池穩定運行。延長電池壽命，均勻的氣體分布和良好的水管理能減少局部熱點和腐蝕，降低材料損耗，延長電池壽命。降低制造成本。優化設計可以減少材料浪費，簡化制造工藝，從而降低生產成本。適應不同工況，優化后的設計能夠適應多種工作條件，提升電池的適應性和可靠性。推動技術進步，該優化研究有助于推動燃料電池技術的進步，促進其在新能源汽車等領域的應用。1.2國內外研究動態下面對燃料電池金屬雙極板V形配流區的國內外研究現狀進行分析梳理，核心關鍵問題主要包括以下幾個方面：圖2燃料電池1.2.1雙極板流場Chen等人研究了具有波狀平行流場的質子交換膜燃料電池，如圖3所示。研究結果表明，波狀平行流場在促進反應氣體傳輸、去除液態水以及避免膜熱應力集中等方面要優于傳統的平行流場。由于波狀流道的波動特征，波狀平行流場的氣體流速比常規平行流場更均勻。此外，采用大振幅和短波長的波狀平行流場可以再次改善性能，提高PEMFC的輸出功率。具體來說，在工作電壓為0.6V時，波狀平行流場的最大功率比傳統平行流場高出34.75%。Zhang等人通過數學建模和統計分析，探討了氣體擴散層(GDL)的孔隙率、進氣速度、溫度、長度、寬度和深度對蛇形(SFF)質子交換膜燃料電池性能的影響，并建立8種蛇形流場，通過研究SFFPEMFC的電化學性能證明了其有效性。結果表明，8通道復合SFF的流場性能最優;最佳寬度一深度組合為寬1.2毫米、深0.8毫米;與進水速度和溫度相比，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等人設計并模擬了多種結構的交指狀流場，并對分支數進行優化。不同設計的流道與脊的寬度比值保持相同，介于0.8和1.0之間。對每種設計的陽極和陰極側的壓降和電流密度分布進行探究。結果表明，具有9個分支流道的交指流場設計顯示出更低的壓降和更好的電流密度分布。在總分支數相同的情況下，不同的分支模式對壓降影響不大，但會改變電流密度分布。在不增加流道長度前提下，增加脊下對流區面積可以有效降低壓降。Guo等人開發了一種網格優化程序來優化點狀流場設計。研究了在考慮和不考慮沿流道反應物消耗的兩種情況下的流量分布，并設計了相應的流場4。數值模擬結果表明，兩種優化設計都比常規點狀流場結構表現出了明顯更優的。圖3燃料電池電池性能，并且第二種效果更好，這表明考慮反應物消耗在流場優化模型中的重要性.Daniel，等人建立了流道數量為1,2,3,4,6和8個的同心螺旋形流場模型。通過比較六種流場結構的電流密度大小、壓降、電流分布，探究燃料電池性能。結果表明，流道數量對電池性能有很大影響，最佳值介于3或4個通道之間。增加流道數量對電池性能的改善并不明顯，并且會使制造變得更加復雜。1.2.2流場仿真技術仿生流場結構是新型流場的一個重要分支與發展方向。受自然界動植物的生物組織啟發，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，具體研究如下:Kang等人設計了圖1-11所示的兩種仿生葉形流場設計(銀杏葉和網狀葉)，并研究了它們對PEMFC性能的影響。銀杏葉形和網狀葉形流場設計提供的最大功率密度分別比平行流場高40%和24%。銀杏形流道所需的進氣功率是蛇形流場的3%。此外，銀杏形設計的排水能力高于平行流場。因此，在各種流道設計中，仿銀杏葉形設計具有最優性能。圖4燃料電池圖5燃料電池Wang以質子交換膜燃料電池為對象，根據生物葉片和Muarry定律提出了一種仿樹葉流場結構，如圖1-12，并進行了數值模擬研究其性能。結果表明，仿生流場和多蛇形流場相比，仿生流場的氫氣、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，采用仿生流場結構的燃料電池的最大輸出功率比采用蛇形流場的燃料電池提高了7.5%。1.2.3金屬雙極板圖6燃料電池Kappelt和Hornung使用耐點蝕當量選擇不同的鐵基材料作為雙極板并對其進行排序，同時將這些合金的性能與鎳基合金和鐵基鍍金合金進行對比，結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數加入過鈍化電位和接觸電阻值中的大量結果。研究發現Cr和Mo降低了接觸電阻值，尤其是Mo能影響PRE數，在降低鈍化膜的接觸電阻中起著重要作用，這些結論只適用于室溫。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燃料電池運作酸性環境下的腐蝕行為，根據動電位極化曲線發現304不銹鋼易腐蝕，而310不銹鋼耐腐蝕性較好，這主要是因為金屬表面形成了穩定的鈍化膜。但是不能只考慮極化結果，因為形成的鈍化膜增加了接觸電阻，致使燃料電池功率密度降低。過去二十年中，大量的研究工作集中在不銹鋼雙極板的設計和仿真制造上，使其性能得到了快速和持續的改善。1.2.4雙極板流道的模擬計算目前國內外針對金屬雙極板成形工藝相關研究較少，文獻中有關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，微細電化學仿真，深刻電鑄模造技術等。Peng和Mahabunphacha等研究了液壓成形計算金屬雙極板。圖7燃料電池Jin等在不銹鋼雙極板模擬仿真中采用動態負載以減少成形缺陷，研究了不同負載條件下成形的雙極板流場深度和形狀對電池性能的影響，同時評估了模具尺寸對電池性能的影響。Jin等采用軟膜成形計算了SUS304不銹鋼雙極板，分析了TiN,CrN和CrN/TiN鍍層對計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的影響。Mahabunphachai等研究了流動和液壓成形計算的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，壓力對金屬板成形性影響較大。Lee等通過微細電化學仿真計算金屬雙極板，分析了成形參數對數值模擬和實驗結果的影響。模擬仿真是金屬材料基本的計算手段之一，其原理是通過模具在液壓設備的作用下對坯料施加壓力，使板坯產生塑性流動，獲得人們所需的特定形狀、尺寸和性能的工件。目前，流動仿真技術無論是在大尺寸產品還是微小零件制造方面都有十分廣泛的應用。相對于其它的塑型計算手段，模擬仿真技術主要有以下幾個方面的優點:(1)生產效率高，自動化及機械化程度高，操作簡單，可以進行大批量的生產;(2)雙極板流動區的表面質量好，形狀和尺寸精準，成本低廉;(3)材料的利用率高，可以節約原材料;(4)能夠仿真形狀復雜、尺寸較小的零件。因以上特點，模擬仿真工藝在計算一些特定工件時所具備的優勢是其它制造方法所不能比擬的。圖8燃料電池與流動仿真技術相比，其它金屬雙極板的仿真方法有如下特點:液壓脹形的生產效率低，由于是高壓液體，仿真過程中裝置必須密封，對設備要求高，對于復雜尺寸的板料其填充滿模具型腔的過程非常困難;磁脈沖成形因其原理特性，無法仿真大尺寸的雙極板，其成形裝置中的復合板耐磨性很差，壽命較短;電化學刻蝕仿真過程復雜，產品成形率低，雙極板流場表面不平整，尺寸不穩定，對氣體的流動產生影響，流體分布不均，經濟效益差;目前研究開發的金屬雙極板的仿真成形技術有多種，各有優點，但與模擬仿真技術相比缺點也顯而易見，金屬雙極板采用流動技術不但設備要求簡單，其仿真效率也高。因此，采用模擬仿真工藝計算金屬雙極板可以降低金屬雙極板制造成本。流動是通過模具使板材產生塑性流動而獲得成品零件的一種成形工藝方法。金屬薄板流動通常是在冷態下進行，因此也稱為冷流動。從本質上看，模擬仿真就是毛坯的流動區在外力作用下產生相應的塑形流動，所以流動區內的應力狀態和流動性質是決定模擬仿真性質的基本因素。薄板流動性能是指板材對流動仿真的適應能力，對薄板流動性能的研究具有非常重要的意義。圖9燃料電池1.2.5雙極板流場設計與數值模擬雙極板作用之一就是為燃料電池電化學反應提供足夠的反應氣體，同時使反應氣體在運輸過程中均勻地分布在電池中，因此，雙極板流場設計是影響電池輸出性能的一個重要因素。在中，研究過的流場種類很多，己開發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、網狀和點狀流道等。這些流道形式各有優缺點，目前，實際應用較多的是流場形式是平行流場，平行流場最主要的特點是有利于減小壓力降從而提高效率，但是由于流場分流的不均勻性使得流道內反應物濃度分布不均勻，且平行流場易堵水，導致活性面積降低從而影響電池輸出性能。而蛇形流場是為了克服平行流場的不足而提出來的，能快速的排除電化學反應生成的水，但是面積較大的雙極板，過長的流道導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計涵蓋了蛇形流道和直流道，具有較大的靈活性，可以設計出不同的形式來滿足需求;交指形流道很大程度上提高了功率密度，但是由于擴散層阻力較大，氣體壓力降很大，當氣體曳力較大時，容易破壞催化層，此外，容易形成短路或者溝流的情況;網狀流場設計上更靈活，但是排水能力差，且流場與分隔板之間的接觸電阻較大。雙極板的流場形式和流場尺寸決定著流場中燃料和氧化劑的流動狀態，從而影響著電池的輸出性能。流場設計必須考慮流場形式、流場尺寸對電池性能的影響，同時還要結合流場板所用材料以及材料的可塑性和可仿真性來確定。通過實驗手段來分析電池內部反應氣體濃度、電流密度分布以及水熱管理等來達到流場設計的目的比較困難，目前，常用的研究方法是借助于數值模擬，通過計算流體動力學方法結合comsol流體分析軟件來直觀的了解電池內部組分傳輸情況、水熱管理和電池輸出性能等，從而對流場進行優化設計，理論和數值模擬結合的方法能有效的獲取實驗手段得不到的結果，同時大大地縮減了流場優化設計的周期，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等通過三維模型數值模擬研究了平行流道流場、Z型流場和蛇形流場三種不同類型對性能的影響，研究表明蛇形流場性能最好，Z-型流場次之，平行流場性能最差。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)和流道尺寸參數對流體流動的影響，并通過直通道、交指形通道和多通道蛇形流場單電池的組裝簡單測試分析了電池性能，結果表明多通道蛇形流場單電池性能最優。但是其單電池測試中所采用的直通道、交指形通道流場雙極板為銅板，而多通道蛇形流場雙極板為石墨板。Waktins等對單通道蛇形流場的尺寸結構進行了優化，結果表明溝槽寬度在1.14-1.4mm,脊寬在0.89-1.4mm，溝槽深度在1.02-2.04mm范圍內時電池的性能較好。劉坤通過CFD軟件comsol中的燃料電池模塊和兩相流模型對燃料電池流場結構尺寸以及流場截面形狀進行了數值研究，結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，電池性能最好;與矩形、三角形和燕尾形流場截面相比，半圓形的流場截面形狀對于電池是最有利的。Hentall等研究了石墨雙極板流場尺寸對電池性能的影響，并對流場尺寸進行了優化，得出流場溝槽寬度與脊寬為1:1和1:2(mm)時電池的輸出性能較好。參考文獻鐵宇,王洪建,金文龍,毛祥,鄒戈陽.中國燃料電池行業市場現狀及發展建議[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.基于機器視覺的金屬雙極板質量缺陷自動檢測系統[J].機床與液壓,2025,53(03):1-11.王永,李偉,李秀蘭,蔣嘯,周新軍.鈦金屬雙極板的計算工藝進展[J].稀有金屬,2025,49(02):230-246.袁蘊超.燃料電池動力系統可靠性驗證與提升[J].電池工業,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,魏東博,李淑琴,張平則.過渡金屬氮化物雙極板涂層研究進展[J].表面技術,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備裝置中的應用[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薄膜的計算及性能[J].材料熱處理學報,2025,46(01):143-153.HutchinsonlaunchesaninnovativebipolarplateprojectsupportedbyFrance2030Programforthefutureoffuelcells[J].M2Presswire,2025,MohammadhosseinJohar,LeilaMoradizadeh,AbhayGupta,YasinMehdizadehChellehbari,XianguoLi,SamanehShahgaldi.DevelopmentofnovelNbandTamultilayercoatingsforcorrosionprotectionofTi-basedbipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].CorrosionScience,2025,245112707-112707.WeiLi,YongWang,XiulanLi,XinjunZhou,XiaoJiang,CanXiong,YaoChen,FeiYou,ZhengyuGuo,YuanZhang,LintaoLiu,XuanLi.EffectofTidopingonpropertiesofTiN/(Ta,Ti)NcoatedTC4bipolarplateinprotonexchangemembranefuelcellsenvironment[J].JournalofPowerSources,2025,631236227-236227.QiaoYan,GuangxuanLu,ShilingLi,JunXie,YuchenLi.Effectsofcathodeenhancedcoolingchannelsandmicroporousmetalmeshonperformanceofopencathodeair-cooledfuelcells[J].InternationalJournalofElectrochemicalScience,2025,20(2):100927-100927.鄭培鈞,謝小榮,張春朋,穆青.日本固定式氫燃料電池系統的政策演進及技術應用綜述[J].電網技術,1-14.CahyaniWindarto,OcktaeckLim.Numericalinvestigationontheperformanceofprotonexchangemembranefuelcellmetallicbipolarplatewithdecussateflowchannelconfigurations[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2025,1011093-1104.氫與燃料電池應用產業發展與展望（下）[J].汽車與配件,2025,(Z1):55-59.MatthiasWeiss,PengZhang,MichaelPereira.AHigh-PrecisionMicro-RollFormingFacilityforFuelCellMetalBipolarPlateProduction[J].Micromachines,2025,16(1):91-91.ErmeteAntolini.Transitionmetalnitrides:Essentialandpotentialuseinlow-temperaturefuelcells[J].JournalofElectroanalyticalChemistry,2025,979118926-118926.王浩名.燃料電池在新能源汽車中的應用研究[J].時代汽車,2025,(02):118-120.JunghwanKim,SunGuSong,NamHoYou,SeoGyunKim,BonCheolKu.Enhancedelectricalandthermalpropertiesofexpandedgraphite-polyphenylenesulfide(PPS)compositesthroughin-situpolymerizationforfuelcellbipolarplates[J].CompositesCommunications,2025,53102252-102252.XiuLanLi,XiaoJiang,WeiLi,XinJunZhou,YongWang,YaoChen,CanXiong,FeiYou,XuanLi,LinTaoLiu.EffectofdifferentNcontentsonCrNcoatingsofaluminiumalloybipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].CeramicsInternational,2025,51(3):3546-3558.郝朝陽,鄭金保,繆雪龍,狄亞格.雙極板流道截面形狀對燃料電池質量傳輸和性能的影響研究[J].上海工程技術大學學報,2024,38(04):382-388.杜林杰.氫燃料電池汽車：商用汽車的新賽道[J].新西部,2024,(12):45-49.劉喜,孫艷斌,王兆飛,韓斌,梁皓越,于曉波,王志明,馬文平,張超,張建軍.110t氫能源礦用自卸車大功率氫燃料電池電堆一致性分析及優化[J].浙江化工,2024,55(12):11-17.王文智,裴馮來,石霖.燃料電池單電池接觸壓強分布研究[J].汽車與新動力,2024,7(06):68-74.李宏偉.“做中國人自己的電堆”[N].中國改革報,2024-12-23(002).RuiqingDing,YimengLi,JiananLiu,KeZhan,XiaohuiJiang,ZhuoWang,BinZhao,DehuiLi,VincentJi.Recentprogressinthepreparationandperformanceofprotectivecoatingsonmetalbipolarplatesofprotonexchangemembranefuelcells-Areview[J].AppliedMaterialsToday,2025,42102556-102556.TiancaiMa,HuijinGuo,YanTian,JinxuanQi,NaiyuanYao.TiZrC-coated316?Lstainlesssteelbipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].MaterialsTodayCommunications,2025,42111170-111170.DananYang,PatrickFortin,HimaniGarg,MartinAndersson.TheInfluenceofbipolarplatewettabilityonperformanceanddurabilityofaprotonexchangemembranefuelcell[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2024,951284-1298.石自航,楊亞晶,魏衍舉,張晨楊.燃料電池雙極板流動結構仿生設計探索探究[J].西安交通大學學報,1-12.LangGan,ChenmengJiang,YifanPeng,LinhuHan,WeiQiu,YanjieRen,YuhangZhao.HighlyanticorrosiveCr2AlCcoatingson304stainlesssteelsasbipolarplatesforprotonexchangemembranefuelcells[J].AppliedSurfaceScience,2025,685162018-162018.[33]張子聰,鄭俊生,姚東梅,孟曉敏,李成欣,明平文.石墨復合雙極板輥壓預成型工藝研究[J].材料工程,1-10.張璐瑤,鄭俊生,樊潤林,明平文.復合雙極板的接觸角調控及性能優化[J].材料工程,1-13.PramothVarsanMadhavan,XinZeng,SamanehShahgaldi,XianguoLi.InvestigationofCr2SiCCeramicMAXPhaseCoatedMetallicBipolarPlatesinEx-situConditionsforProtonExchangeMembraneFuelCells[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2024,961232-1242.田韶鵬,袁子龍,王龍,郭輝.插電式燃料電池汽車A-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