基于Fluent燃料电池流道结构模拟与优化

发布时间：2020-10-27 14:04

　　 随着环境污染、温室效应与能源短缺的加剧,开发新型能源来替代传统化石燃料已经迫在眉睫。燃料电池被认为是继水电、火电和核电之后的第四种发电设施。并且日益受到各国政府和众多跨国企业的密切关注。燃料电池流道具有传输反应气体并保证反应气体在流场内部均匀分配的作用。本文对燃料电池的流道进行建模、仿真与优化。首先,阐述了燃料电池的结构组成、工作原理、基本分类及优缺点。根据热力学分析了质子交换膜燃料电池的理论输出电压,根据反应动力学讨论了质子交换膜燃料电池工作过程中的活化损耗、欧姆损耗和浓度损耗等,并建立了数学模型,计算了质子交换膜燃料电池的实际输出电压。根据流体力学分析了质子交换膜燃料电池内部流体传导时所遵循的规律,建立了流体力学模型。针对矩形流道,根据燃料电池流道的深度、宽度、岸宽等结构尺寸,分别建立了不同流道尺寸的燃料电池几何模型;并使用Fluent仿真计算了燃料电池的工作过程,研究了电池流道内压力、反应物质浓度、温度和水浓度等分布情况,结果表明,当流道深度取值为0.4mm,流道宽和岸宽取值为0.7mm时(单流道模块宽度为2.1mm),燃料电池工作性能较好。研究了半圆形、三角形、梯形、矩形、倒梯形截面形状对燃料电池性能的影响,结果表明:三角形截面流道的燃料电池性能较优,倒梯形截面流道的排水性和散热性较优。基于最优截面尺寸参数,在具有较好强度性能的矩形流道内增设了若干凸台以及设计倾斜流道,并建立了对应的几何模型,研究了流道凸台和倾斜流道对燃料电池工作性能的影响。结果表明,加入凸台或使用倾斜流道可以提升燃料电池的性能。本文通过仿真模拟研究了流道的截面尺寸、截面形状、流道凸台等对电池工作性能的影响,对促进燃料电池研究和行业发展有一定的积极意义。
【学位单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 质子交换膜燃料电池的国内外研究现状
        1.3.2 质子交换膜燃料电池流场的国内外研究现状
        1.3.3 质子交换膜燃料电池流道参数的国内外研究现状
    1.4 本文主要研究内容
2 燃料电池数学模型建立
    2.1 燃料电池
        2.1.1 质子交换膜燃料电池的结构
        2.1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理
    2.2 数学模型
        2.2.1 热力学预测电压
        2.2.2 活化损耗
        2.2.3 欧姆损耗
        2.2.4 浓度损耗
    2.3 流体力学模型
        2.3.1 质量守恒方程
        2.3.2 动量守恒方程
        2.3.3 能量守恒方程
        2.3.4 组分守恒方程
    2.4 本章小结
3 流道深度对燃料电池性能的影响
    3.1 仿真模型建立
        3.1.1 几何模型建立
        3.1.2 边界条件和参数
        3.1.3 计算假设条件
        3.1.4 仿真计算方案
    3.2 模拟计算结果及分析
    3.3 本章小结
4 流道岸宽比对燃料电池性能的影响
    4.1 仿真模型建立
        4.1.1 几何模型建立
        4.1.2 边界条件和参数
        4.1.3 计算假设条件
        4.1.4 仿真计算方案
    4.2 模拟计算结果及分析
        4.2.1 岸宽固定
        4.2.2 流道宽固定
        4.2.3 流道宽岸宽同时改变
    4.3 本章小结
5 流道截面形状对燃料电池性能的影响
    5.1 仿真模型建立
        5.1.1 几何模型建立
        5.1.2 边界条件和参数
        5.1.3 计算假设条件
        5.1.4 仿真计算方案
    5.2 模拟计算结果及分析
    5.3 本章小结
6 流道内部形状对燃料电池性能的影响
    6.1 仿真模型建立
        6.1.1 几何模型建立
        6.1.2 边界条件和参数
        6.1.3 计算假设条件
        6.1.4 仿真计算方案
    6.2 模拟计算结果及分析
    6.3 本章小结
7 总结与展望
    7.1 本文总结
    7.2 展望
攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文
致谢
参考文献

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本文编号：2858620