基于多物理场耦合的PEMFC气体扩散层与流场结构优化
发布时间：2023-07-26 18:17
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一个多物理场、多相和多尺度的复杂动态系统。电池在运行过程中,反应气体从外界到反应区域经历了流场-扩散层-催化层等多尺度的传输过程。影响物质传输以及电池性能的因素有很多,而扩散层孔隙率和流场结构也是其中的关键因素,并且成为了当今科研工作者们关注的焦点。合理的扩散层孔隙率结构或流场结构可以改善反应气体传输效率低、流道内压损大、电池“水淹”等问题,并起到改善PEMFC整体性能的目的。为了改善上述存在问题,基于多物理场耦合分析软件,对扩散层孔隙率和流场结构进行了优化研究,具体研究内容如下:(1)扩散层孔隙率对燃料电池内的物质传输以及整体性能的影响。针对直流道PEMFC,研究了孔隙率沿厚度、宽度和长度三个方向上变化的复合多孔扩散层,综合分析了三个方向上复合多孔扩散层燃料电池的氧气浓度分布、液态水浓度分布以及电流密度分布。结果表明:孔隙率沿三个方向变化的不同复合多孔扩散层与孔隙率均匀分布(=0.5)的扩散层相比,均不同程度地改善了扩散层的物质传输能力、排水能力,使电池获得更好的性能。(2)新型流场结构对燃料电池性能的影响。分别研究了在流道的轴线上均匀分布不同数量(...
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 燃料电池的概述
1.1.2 燃料电池的分类
1.2 质子交换膜燃料电池
1.2.1 质子交换膜燃料电池的结构
1.2.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
1.2.3 质子交换膜燃料电池的优缺点
1.2.4 质子交换膜燃料电池的应用
1.3 国内外研究现状
1.3.1 扩散层方面
1.3.2 流场方面的研究
1.4 课题研究的意义和主要内容
1.4.1 课题研究的意义
1.4.2 本文主要内容
第2章 PEMFC模型的建立
2.1 模拟流程及方法
2.2 流体力学模型
2.2.1 质量守恒方程
2.2.2 动量守恒方程
2.2.3 能量守恒方程
2.2.4 组分守恒方程
2.3 电化学反应方程
2.3.1 Bulter-Volmer方程
2.3.2 电荷守恒方程
2.3.3 反应物的消耗和水的生成
2.4 电极的极化
2.4.1 开路电压和极化曲线
2.4.2 活化极化
2.4.3 欧姆极化
2.4.4 浓差极化
2.5 本章小结
第3章 复合多孔扩散层对PEMFC性能的影响
3.1 仿真计算模型
3.1.1 几何模型
3.1.2 模型的假设
3.1.3 模型的验证
3.1.4 模型验证结果分析
3.1.5 模拟方案
3.2 结果与分析
3.2.1 孔隙率沿X轴方向变化结果分析
3.2.2 孔隙率沿Y轴方向变化结果分析
3.3 本章小结
第4章 流场沟槽对PEMFC性能的影响
4.1 模型的建立
4.1.1 几何模型
4.1.2 参数及边界条件
4.1.3 计算假设条件
4.2 结果与分析
4.2.1 矩形沟槽数量对电池性能的影响分析
4.2.2 沟槽类型对电池性能的影响分析
4.3 本章小结
第5章 流场结构对PEMFC性能的影响
5.1 平行流场PEMFC模型
5.1.1 几何模型
5.1.2 模型的验证
5.2 结果与分析
5.2.1 脊背宽度对电池性能的影响分析
5.2.2 流道宽度对电池性能的影响分析
5.3 蛇形流场计算模型
5.3.1 几何模型
5.3.2 边界条件和物性参数
5.3.3 模型假设
5.3.4 网格划分
5.4 蛇形流场结构对电池性能的影响分析
5.4.1 蛇形流道数对流道内压降的影响分析
5.4.2 拐角结构对流道内速度影响分析
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
作者简介
致谢
本文编号：3837315
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 燃料电池的概述
1.1.2 燃料电池的分类
1.2 质子交换膜燃料电池
1.2.1 质子交换膜燃料电池的结构
1.2.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
1.2.3 质子交换膜燃料电池的优缺点
1.2.4 质子交换膜燃料电池的应用
1.3 国内外研究现状
1.3.1 扩散层方面
1.3.2 流场方面的研究
1.4 课题研究的意义和主要内容
1.4.1 课题研究的意义
1.4.2 本文主要内容
第2章 PEMFC模型的建立
2.1 模拟流程及方法
2.2 流体力学模型
2.2.1 质量守恒方程
2.2.2 动量守恒方程
2.2.3 能量守恒方程
2.2.4 组分守恒方程
2.3 电化学反应方程
2.3.1 Bulter-Volmer方程
2.3.2 电荷守恒方程
2.3.3 反应物的消耗和水的生成
2.4 电极的极化
2.4.1 开路电压和极化曲线
2.4.2 活化极化
2.4.3 欧姆极化
2.4.4 浓差极化
2.5 本章小结
第3章 复合多孔扩散层对PEMFC性能的影响
3.1 仿真计算模型
3.1.1 几何模型
3.1.2 模型的假设
3.1.3 模型的验证
3.1.4 模型验证结果分析
3.1.5 模拟方案
3.2 结果与分析
3.2.1 孔隙率沿X轴方向变化结果分析
3.2.2 孔隙率沿Y轴方向变化结果分析
3.3 本章小结
第4章 流场沟槽对PEMFC性能的影响
4.1 模型的建立
4.1.1 几何模型
4.1.2 参数及边界条件
4.1.3 计算假设条件
4.2 结果与分析
4.2.1 矩形沟槽数量对电池性能的影响分析
4.2.2 沟槽类型对电池性能的影响分析
4.3 本章小结
第5章 流场结构对PEMFC性能的影响
5.1 平行流场PEMFC模型
5.1.1 几何模型
5.1.2 模型的验证
5.2 结果与分析
5.2.1 脊背宽度对电池性能的影响分析
5.2.2 流道宽度对电池性能的影响分析
5.3 蛇形流场计算模型
5.3.1 几何模型
5.3.2 边界条件和物性参数
5.3.3 模型假设
5.3.4 网格划分
5.4 蛇形流场结构对电池性能的影响分析
5.4.1 蛇形流道数对流道内压降的影响分析
5.4.2 拐角结构对流道内速度影响分析
5.5 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
作者简介
致谢
本文编号：3837315
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3837315.html
