基于船舶振动的质子交换膜燃料电池性能影响研究
发布时间：2022-02-10 00:35
近年来,全球都在面临着严峻的大气污染以及能源短缺问题,燃料电池作为一种清洁、高效的发电装置被认为是不可再生能源的最佳替代品。燃料电池种类繁多,其中质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）因能量转换效率高、零污染、振动噪声小以及稳定性高等优点,发展潜力巨大。为进一步实现质子交换膜燃料电池作为动力源在远洋船舶上的应用,本文主要研究船舶振动对质子交换膜燃料电池性能影响规律,为后续船用质子交换膜燃料技术发展提供参考依据。首先,本文总结了本课题的研究背景及振动对质子交换膜燃料电池影响的国内外研究现状,针对本课题研究方向,根据PEMFC结构及原理,以流体动力学模型、电化学模型、极化模型为基础探究PEMFC内部组分之间的热传导以及化学反应过程,通过对比几种数值仿真方法从而选择Fluent PEMFC model进行仿真分析。其次,针对研究内容探究仿真模型船舶振动载荷施加方法,总结船舶振动形式,将Fluent软件中的滑移网格技术和自定义函数（UDF）宏DEFINEZONEMOTION创新性融合提出...
【文章来源】：浙江海洋大学浙江省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
019年世界造船三大指标市场份额Fig1.1Marketshareofthreemajorindicatorsofworldshipbuildingin2019
第一章绪论3图1-2不同发电技术流程简图Fig1.2Schematicdiagramofdifferentpowergenerationtechnologies燃料电池发展至今种类较为丰富，其中最主要的按电解质类型可分为：有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等[8]；按工作温度不同可划分为低温燃料电池和高温燃料电池，其中AFC、PEMFC、PAFC属于低温燃料电池，SOFC、MCFC属于高温燃料电池[9]。综上所述各类型燃料电池类型与工作特征如表1-1所示。表1-1燃料电池的类型和特征Tab1.1Typesandcharacteristicsoffuelcells电池类型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC燃料H2H2H2/COH2/COH2氧化物O2O2O2O2O2电解质KOHH3PO4K2CO3/Li2CO3Y2O2/ZrO2/CaO质子交换膜传导离子OH-H+CO32-O2-H+催化剂Pt/NiPtNiNiPt工作温度（℃）50-200160-220600-650650-100050-90发电效率（%）50~6040~5050~6555~7030~40比功率（W·kg-1）36-105120-18030-4015-20340-3000寿命（h）100001500015000700050001.2.2PEMFC优点及应用质子交换膜燃料电池较其他类型燃料电池主要有以下几个优点：（1）常温环境下，启动速度快；（2）比功率和比能量高，可在较大的工作电流下工作[10]；（3）对环境具有良好的适应性；（4）无电解质液流失；（5）质量小，无污染、噪声低；
基于船舶振动的质子交换膜燃料电池性能影响研究8图1-3研究路线图Fig1.3Researchroadmap第一章绪论，描述本论文研究背景及意义，对比燃料电池种类，归纳质子交换膜燃料电池优点及应用，总结燃料电池船发展现状。针对本课题研究内容，归纳总结振动对PEMFC性能影响的国内外研究现状。第二章基本理论与方法，该章节从基本理论出发，详细介绍PEMFC组成结构及工作原理，建立PEMFC流体动力学模型、电化学模型、极化模型，通过对比几种数值仿真方法从而选择FluentPEMFCmodel进行仿真分析。第三章质子交换膜燃料电池的船舶振动载荷及其加载方法，首先设计仿真计算方案，总结实船振动特征及振动形式，应用Fluent软件中的滑移网格技术和自定义函数（UDF）宏DEFINE_ZONE_MOTION定义振动方向、频率、幅度，并利用Gambit软件进行网格结构划分以及FluentPEMFCmodel设置仿真模拟参数，在模型验证的基础上，通过仿真对比PEMFC稳态和瞬态电压输出变化来说明船舶振动载荷加载方法的合理性及有效性。第四章船舶振动方向对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性研究，通过分析对比x/y/z三个方向下PEMFC内部反应气体的速度场分布、浓度分布以及水分布，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实时小波变换的燃料电池混合动力船舶能量管理策略[J]. 张泽辉,陈辉,高海波,管聪. 中国舰船研究. 2020(02)
[2]氢燃料电池混合动力汽车能量管理系统建模与仿真分析[J]. 郭朋彦,宗贺辉,王一博,李冰洁. 汽车电器. 2020(01)
[3]固体氧化物燃料电池数值仿真模型的建立[J]. 汤水,张茂贵,贾明,刘宇. 中南大学学报(自然科学版). 2019(11)
[4]质子交换膜燃料电池双极板热导率的仿真研究[J]. 汤梦琪,罗来雁,陈威,干林,康飞宇,杜鸿达. 炭素技术. 2019(05)
[5]氢能产业的发展前景[J]. 卢原. 浙江经济. 2019(17)
[6]国际船舶市场——动力不足[J]. 曹宇波,宋歌,张淼. 中国远洋海运. 2019(08)
[7]基于模糊控制的混合动力船舶能量管理策略研究[J]. 韩北川. 机电工程技术. 2019(07)
[8]我国钢材需求预测研究[J]. 陈程,管志杰,刘琦,赵佳,张玮玮,鹿宁,付新彤,马东旭. 冶金经济与管理. 2019(02)
[9]基于Fluent的燃料电池建模及仿真研究[J]. 郭苗苗,文陈,陈学成,陈永刚. 电源技术. 2019(01)
[10]温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响[J]. 陈见,陈涛,刘士华,张恒,易伟. 电源技术. 2019(01)
博士论文
[1]基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究[D]. 沈俊.华中科技大学 2018
[2]燃料电池非铂和低铂氧还原催化剂的研究[D]. 吴光平.重庆大学 2017
[3]燃料电池双极板仿生流场主动排水机理与表面改性研究[D]. 吴明格.浙江工业大学 2016
[4]磺化聚苯醚基复合高温质子交换膜的制备及性能研究[D]. 刘逸枫.上海交通大学 2007
[5]随机荷载作用下柔性路面结构及路基动力响应研究[D]. 王晅.中南大学 2006
硕士论文
[1]基于Fluent燃料电池流道结构模拟与优化[D]. 陈磊.华北水利水电大学 2018
[2]振动条件下铁素体不锈钢凝固过程的数值模拟[D]. 贾京达.西安建筑科技大学 2018
[3]聚苯胺/石墨烯衍生M-N/PGO催化剂制备及氧还原性能研究[D]. 樊荣.南京航空航天大学 2018
[4]PEM燃料电池流场传质模拟分析[D]. 罗鑫.沈阳建筑大学 2018
[5]燃料电池阴离子交换膜制备及性能研究[D]. 冯磊.北京化工大学 2017
[6]质子交换膜燃料电池阴极催化层的仿真模拟和设计[D]. 张璞.厦门大学 2017
[7]质子交换膜燃料电池动态建模与性能仿真分析[D]. 常英杰.重庆理工大学 2017
[8]典型船用氢燃料电池动力系统特性测试分析[D]. 冯玉龙.集美大学 2016
[9]质子交换膜燃料电池两相流传递特性研究及数值模拟[D]. 李超.重庆理工大学 2016
[10]典型船舶燃料电池推进系统及储氢技术研究[D]. 朱子文.集美大学 2015
本文编号：3617928
【文章来源】：浙江海洋大学浙江省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
019年世界造船三大指标市场份额Fig1.1Marketshareofthreemajorindicatorsofworldshipbuildingin2019
第一章绪论3图1-2不同发电技术流程简图Fig1.2Schematicdiagramofdifferentpowergenerationtechnologies燃料电池发展至今种类较为丰富，其中最主要的按电解质类型可分为：有碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等[8]；按工作温度不同可划分为低温燃料电池和高温燃料电池，其中AFC、PEMFC、PAFC属于低温燃料电池，SOFC、MCFC属于高温燃料电池[9]。综上所述各类型燃料电池类型与工作特征如表1-1所示。表1-1燃料电池的类型和特征Tab1.1Typesandcharacteristicsoffuelcells电池类型AFCPAFCMCFCSOFCPEMFC燃料H2H2H2/COH2/COH2氧化物O2O2O2O2O2电解质KOHH3PO4K2CO3/Li2CO3Y2O2/ZrO2/CaO质子交换膜传导离子OH-H+CO32-O2-H+催化剂Pt/NiPtNiNiPt工作温度（℃）50-200160-220600-650650-100050-90发电效率（%）50~6040~5050~6555~7030~40比功率（W·kg-1）36-105120-18030-4015-20340-3000寿命（h）100001500015000700050001.2.2PEMFC优点及应用质子交换膜燃料电池较其他类型燃料电池主要有以下几个优点：（1）常温环境下，启动速度快；（2）比功率和比能量高，可在较大的工作电流下工作[10]；（3）对环境具有良好的适应性；（4）无电解质液流失；（5）质量小，无污染、噪声低；
基于船舶振动的质子交换膜燃料电池性能影响研究8图1-3研究路线图Fig1.3Researchroadmap第一章绪论，描述本论文研究背景及意义，对比燃料电池种类，归纳质子交换膜燃料电池优点及应用，总结燃料电池船发展现状。针对本课题研究内容，归纳总结振动对PEMFC性能影响的国内外研究现状。第二章基本理论与方法，该章节从基本理论出发，详细介绍PEMFC组成结构及工作原理，建立PEMFC流体动力学模型、电化学模型、极化模型，通过对比几种数值仿真方法从而选择FluentPEMFCmodel进行仿真分析。第三章质子交换膜燃料电池的船舶振动载荷及其加载方法，首先设计仿真计算方案，总结实船振动特征及振动形式，应用Fluent软件中的滑移网格技术和自定义函数（UDF）宏DEFINE_ZONE_MOTION定义振动方向、频率、幅度，并利用Gambit软件进行网格结构划分以及FluentPEMFCmodel设置仿真模拟参数，在模型验证的基础上，通过仿真对比PEMFC稳态和瞬态电压输出变化来说明船舶振动载荷加载方法的合理性及有效性。第四章船舶振动方向对质子交换膜燃料电池性能影响的差异性研究，通过分析对比x/y/z三个方向下PEMFC内部反应气体的速度场分布、浓度分布以及水分布，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于实时小波变换的燃料电池混合动力船舶能量管理策略[J]. 张泽辉,陈辉,高海波,管聪. 中国舰船研究. 2020(02)
[2]氢燃料电池混合动力汽车能量管理系统建模与仿真分析[J]. 郭朋彦,宗贺辉,王一博,李冰洁. 汽车电器. 2020(01)
[3]固体氧化物燃料电池数值仿真模型的建立[J]. 汤水,张茂贵,贾明,刘宇. 中南大学学报(自然科学版). 2019(11)
[4]质子交换膜燃料电池双极板热导率的仿真研究[J]. 汤梦琪,罗来雁,陈威,干林,康飞宇,杜鸿达. 炭素技术. 2019(05)
[5]氢能产业的发展前景[J]. 卢原. 浙江经济. 2019(17)
[6]国际船舶市场——动力不足[J]. 曹宇波,宋歌,张淼. 中国远洋海运. 2019(08)
[7]基于模糊控制的混合动力船舶能量管理策略研究[J]. 韩北川. 机电工程技术. 2019(07)
[8]我国钢材需求预测研究[J]. 陈程,管志杰,刘琦,赵佳,张玮玮,鹿宁,付新彤,马东旭. 冶金经济与管理. 2019(02)
[9]基于Fluent的燃料电池建模及仿真研究[J]. 郭苗苗,文陈,陈学成,陈永刚. 电源技术. 2019(01)
[10]温度对阳极封闭式PEMFC性能的影响[J]. 陈见,陈涛,刘士华,张恒,易伟. 电源技术. 2019(01)
博士论文
[1]基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究[D]. 沈俊.华中科技大学 2018
[2]燃料电池非铂和低铂氧还原催化剂的研究[D]. 吴光平.重庆大学 2017
[3]燃料电池双极板仿生流场主动排水机理与表面改性研究[D]. 吴明格.浙江工业大学 2016
[4]磺化聚苯醚基复合高温质子交换膜的制备及性能研究[D]. 刘逸枫.上海交通大学 2007
[5]随机荷载作用下柔性路面结构及路基动力响应研究[D]. 王晅.中南大学 2006
硕士论文
[1]基于Fluent燃料电池流道结构模拟与优化[D]. 陈磊.华北水利水电大学 2018
[2]振动条件下铁素体不锈钢凝固过程的数值模拟[D]. 贾京达.西安建筑科技大学 2018
[3]聚苯胺/石墨烯衍生M-N/PGO催化剂制备及氧还原性能研究[D]. 樊荣.南京航空航天大学 2018
[4]PEM燃料电池流场传质模拟分析[D]. 罗鑫.沈阳建筑大学 2018
[5]燃料电池阴离子交换膜制备及性能研究[D]. 冯磊.北京化工大学 2017
[6]质子交换膜燃料电池阴极催化层的仿真模拟和设计[D]. 张璞.厦门大学 2017
[7]质子交换膜燃料电池动态建模与性能仿真分析[D]. 常英杰.重庆理工大学 2017
[8]典型船用氢燃料电池动力系统特性测试分析[D]. 冯玉龙.集美大学 2016
[9]质子交换膜燃料电池两相流传递特性研究及数值模拟[D]. 李超.重庆理工大学 2016
[10]典型船舶燃料电池推进系统及储氢技术研究[D]. 朱子文.集美大学 2015
本文编号：3617928
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