PEM燃料电池的流场分析和优化研究
发布时间：2022-08-02 20:02
PEM（质子交换膜）燃料电池是一种化学能转换成电能的化学装置。在能源日渐耗尽和空气污染加剧的今天,燃料电池的作用在这样的背景下显得尤为重要。然而燃料电池的流场设计对其性能的影响至关重要,包括流场的形状、流道的深度以及流场的开孔率。本文结合了Murray定理和分形理论的自相似原理设计了一种用于PEM燃料电池的六边形流场,它与常见的流场不同之处是它的通道是由多个根据一定的排列方式的三棱柱脊组成的,而不是由长方体组成。利用画图软件将所有要进行仿真分析计算的PEM燃料电池进行模型的建立,然后建立网格模型和边界条件的设置,最后利用计算流体力学仿真工具进行结果的运算,在计算过程中,通过改变影响燃料电池性能因素进行分析,根据电池电压和平均电流密度来绘制极化曲线,运算的结果通过专业的结果云图处理软件进行结果的处理与显示。通过极化曲线来分析对比各种流场燃料电池的最高功率密度,通过电流密度分布云图来分析各种流场燃料电池的电流密度分布的均匀情况。另外,并结合氧气分布云图、压力分布云图、膜中水含量分布云图等综合分析,对比出使PEM燃料电池的性能达到最佳状态的流场形式和尺寸。文章的内容从多方位多角度分析了不同形...
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 氢的制造与安全性
1.2 PEM燃料电池
1.2.1 PEM燃料电池的研究背景
1.2.2 PEM燃料电池的构造
1.2.3 PEM燃料电池的工作原理
1.2.4 PEM燃料电池双极板
1.3 计算流体动力学简介
1.4 国内外研究现状
1.5 本章小结
第2章 基于Murray定理构造的PEM燃料电池流场
2.1 Murray定理的概念
2.2 PEM燃料电池常见流场
2.2.1 平行流场
2.2.2 蛇形流场
2.2.3 交指型流场
2.2.4 交叉流场
2.2.5 仿生型流场
2.2.6 新型结构通道
2.3 构造的新型流场
2.3.1 流场的设计准则
2.3.2 六边形流场
2.4 本章小结
第3章 PEM燃料电池建模
3.1 模型假设
3.2 PEM燃料电池流体力学基本控制方程
3.2.1 质量守恒方程
3.2.2 动量守恒方程
3.2.3 能量守恒方程
3.2.4 组分守恒方程
3.3 PEM燃料电池电化学反应模型
3.3.1 Butler-Volmer方程
3.3.2 电流守恒方程
3.4 PEM燃料电池质子交换膜中水的传输模型
3.4.1 质子交换膜中浓度扩散水通量
3.4.2 质子交换膜中压差扩散水通量
3.4.3 质子交换膜中电迁移的水通量
3.5 本章小结
第4章 PEM燃料电池的流场建模与仿真分析
4.1 PEM燃料电池的流场建模
4.1.1 平行流场网格模型
4.1.2 蛇形流场网格模型
4.1.3 六边形流场网格模型
4.2 PEM燃料电池模块
4.2.1 设置PEM燃料电池模块
4.2.2 PEM燃料电池的边界条件和求解计算
4.3 平行流场仿真分析
4.3.1 极化曲线
4.3.2 氧气浓度分布云图
4.3.3 膜中水含量分布云图
4.3.4 气体流速分布云图
4.3.5 压力分布云图
4.3.6 电流密度分布云图
4.4 蛇行流场仿真分析
4.4.1 极化曲线
4.4.2 氧气浓度分布云图
4.4.3 膜中水含量分布云图
4.4.4 气体流速分布云图
4.4.5 压力分布云图
4.4.6 电流密度分布云图
4.5 六边形流场仿真分析
4.5.1 极化曲线
4.5.2 氧气浓度分布云图
4.5.3 膜中水含量分布云图
4.5.4 气体流速分布云图
4.5.5 压力分布云图
4.5.6 电流密度分布云图
4.6 本章小结
第5章 六边形流场的优化建模与仿真分析
5.1 六边形流场优化前后的网格模型
5.2 六边形流场优化前后的仿真结果分析
5.2.1 优化前后的极化曲线
5.2.2 优化前后的压力分布云图
5.2.3 优化前后的膜中水含量分布云图
5.2.4 优化前后的电流密度分布云图
5.2.5 优化前后的气体流速分布云图
5.2.6 第三次优化后的六边形流场不同流道深度下的电流密度分布云图
5.3 六边形流场优化前后的分析结果讨论
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
致谢
本文编号：3669155
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 氢的制造与安全性
1.2 PEM燃料电池
1.2.1 PEM燃料电池的研究背景
1.2.2 PEM燃料电池的构造
1.2.3 PEM燃料电池的工作原理
1.2.4 PEM燃料电池双极板
1.3 计算流体动力学简介
1.4 国内外研究现状
1.5 本章小结
第2章 基于Murray定理构造的PEM燃料电池流场
2.1 Murray定理的概念
2.2 PEM燃料电池常见流场
2.2.1 平行流场
2.2.2 蛇形流场
2.2.3 交指型流场
2.2.4 交叉流场
2.2.5 仿生型流场
2.2.6 新型结构通道
2.3 构造的新型流场
2.3.1 流场的设计准则
2.3.2 六边形流场
2.4 本章小结
第3章 PEM燃料电池建模
3.1 模型假设
3.2 PEM燃料电池流体力学基本控制方程
3.2.1 质量守恒方程
3.2.2 动量守恒方程
3.2.3 能量守恒方程
3.2.4 组分守恒方程
3.3 PEM燃料电池电化学反应模型
3.3.1 Butler-Volmer方程
3.3.2 电流守恒方程
3.4 PEM燃料电池质子交换膜中水的传输模型
3.4.1 质子交换膜中浓度扩散水通量
3.4.2 质子交换膜中压差扩散水通量
3.4.3 质子交换膜中电迁移的水通量
3.5 本章小结
第4章 PEM燃料电池的流场建模与仿真分析
4.1 PEM燃料电池的流场建模
4.1.1 平行流场网格模型
4.1.2 蛇形流场网格模型
4.1.3 六边形流场网格模型
4.2 PEM燃料电池模块
4.2.1 设置PEM燃料电池模块
4.2.2 PEM燃料电池的边界条件和求解计算
4.3 平行流场仿真分析
4.3.1 极化曲线
4.3.2 氧气浓度分布云图
4.3.3 膜中水含量分布云图
4.3.4 气体流速分布云图
4.3.5 压力分布云图
4.3.6 电流密度分布云图
4.4 蛇行流场仿真分析
4.4.1 极化曲线
4.4.2 氧气浓度分布云图
4.4.3 膜中水含量分布云图
4.4.4 气体流速分布云图
4.4.5 压力分布云图
4.4.6 电流密度分布云图
4.5 六边形流场仿真分析
4.5.1 极化曲线
4.5.2 氧气浓度分布云图
4.5.3 膜中水含量分布云图
4.5.4 气体流速分布云图
4.5.5 压力分布云图
4.5.6 电流密度分布云图
4.6 本章小结
第5章 六边形流场的优化建模与仿真分析
5.1 六边形流场优化前后的网格模型
5.2 六边形流场优化前后的仿真结果分析
5.2.1 优化前后的极化曲线
5.2.2 优化前后的压力分布云图
5.2.3 优化前后的膜中水含量分布云图
5.2.4 优化前后的电流密度分布云图
5.2.5 优化前后的气体流速分布云图
5.2.6 第三次优化后的六边形流场不同流道深度下的电流密度分布云图
5.3 六边形流场优化前后的分析结果讨论
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果
致谢
本文编号：3669155
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3669155.html
