基於樹葉形態形成機理的PEMFC雙極板流場結構仿生設計

《基於樹葉形態形成機理的PEMFC雙極板流場結構仿生設計》是依託武漢理工大學，由陳濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於樹葉形態形成機理的PEMFC雙極板流場結構仿生設計
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳濤
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

自然界中的傳質或傳熱機構如動物肺和樹葉等被認為是一種自然最佳化的強化換熱和傳質的網路流道，它具有均勻的微管分布，並有利於能量和物質的傳遞運輸。PEMFC雙極板的流場與動物肺和樹葉的傳質和傳熱功能類似，將PEMFC雙極板流場分布的形成看成和植物樹葉葉脈的自生長過程一樣，雙極板流場從給定的種子出發，根據一定的成長規則生長、分歧或退化，形成最優的分布形態。本項目研究樹葉的物理結構和形成機理，總結歸納其與雙極板流場具有共性的規律，形成方法論，建立PEMFC雙極板流場結構形式的設計方法和原則。模擬樹葉形態結構的自生長過程，確定雙極板流場的結構形式。套用構形理論確定PEMFC雙極板流場仿生結構的幾何尺寸並進行最佳化。最終，建立基於仿生學原理的PEMFC雙極板流場結構設計的理論體系，為雙極板的設計和製造提供一條新途徑，本項目的成果可廣泛套用於攜帶型電源、小型固定發電機、電動汽車等的動力電源。

結題摘要

隨著科技的發展和社會的進步，人類社會對於能源的需求和依賴越來越大，能源的消耗也在急劇地增加，而且常規能源儲量有限。於是燃料電池（Fuel Cell）進入了人們的視野。質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）在航天、航空、航海以及電動車方面有著巨大的市場潛力，成為近年來發展最快的燃料電池。在當今能源危機和環境污染日趨嚴重的情況下，對PEMFC的深入研究是十分有意義的。本項目研究的主要內容包括：分析樹葉的物理結構並模擬樹葉形態結構的自生長過程；根據葉脈結構確定雙極板流場的結構形式；最佳化PEMFC 雙極板流場仿生結構的幾何尺寸。取得的成果如下：（1）研究了基於仿生學的PEMFC雙極板流場設計方法。自然界樹狀結構的形成，是按照達到全局最最佳化性能的原則來進行的。樹狀分支的成長受養分密度控制，分支的分布依賴養分的分布。PEMFC雙極板的流場結構與動物肺和樹葉的傳質或傳熱功能類似，因此，PEMFC流場溝槽的分布可以同樹狀分支的分布相似。根據樹狀結構的最最佳化原則，結合不同的邊界條件，PEMFC雙極板的結構設計可以變得更為靈活和有效。（2）設計了幾種仿生結構的PEMFC雙極板。對樹狀結構及形態的形成過程進行研究，總結歸納其具有共性的規律，分別設計了二分結構流場、對稱分支結構流場、非對稱分支結構流場。並與傳統的流場進行比較，在電池性能上都有顯著的提高。（3）建立了基於構形理論的仿生結構流場溝槽尺寸的確定方法。目前普遍採用的方法是建立二維和三維模型，通過保持某些值不變而改變某個值，來研究PEMFC雙極板流場結構的溝槽尺寸對電池性能的影響，從而確定流場結構的溝槽尺寸。這樣的模型需要解偏微分方程，計算相當複雜，本項目基於構形理論確定PEMFC雙極板仿生結構流場的溝槽尺寸。（4）探索了金屬雙極板的製造工藝規律。研究不鏽鋼金屬雙極板在介觀尺度下的性能，建立雙極板流道的有限元模型。研究流道參數對整個極板成形工藝的影響，分別對流道開口斜度、圓角的不同情況進行分析比較，得出最理想的流道幾何參數。最終，建立基於仿生學原理的PEMFC雙極板流場仿生結構設計的理論體系，為雙極板的設計和製造提供一條新途徑，本項目的成果可廣泛套用於攜帶型電源、小型固定發電機、電動汽車等的動力能源。