基于树状分形流场的质子交换膜燃料电池性能分析

发布时间：2017-09-25 11:45

  本文关键词：基于树状分形流场的质子交换膜燃料电池性能分析

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【摘要】：随着大众对环境的重视,新型低污染能源逐步替代了传统能源并快速发展起来,质子交换膜燃料电池作为一种高效、环境友好型能源被广泛应用于潜艇动力、便携设备能源及汽车燃料等。流场板是构成质子交换膜燃料电池的重要部分之一,主要起着传递反应气体,排出生成物的作用。其中流场的几何形状设计是制备流场板的关键因素之一,合理的流场设计可以部分提升质子交换膜燃料电池性能。为改善典型流场性能,本文将仿生学原理及树状分形理论引入流场设计中,建立基于树状分形的流场几何形状,希望能改善典型流场的传质特性,增大质子交换膜的利用率,减低质子交换膜燃料电池运行时的外部能量损失。本文的主要工作如下:1、建立基于树状分形的对称及不对称交指型流场质子交换膜燃料电池模型,在相同的操作条件下,与典型的交指型流场作比较。通过分析三种交指型流场的极化曲线、氢气分布、电流密度分布及质子交换膜上的水热分布,得出基于树状分形的不对称交指型流场性能优于其余两种流场。将不对称的几何设计引入基于树状分形的平行流场设计中,并在相同的操作条件下模拟两种平行流场的性能,可知不对称的几何设计对于改善基于树状分形的平行流场性能的作用并不明显。2、改变质子交换膜燃料电池的操作条件,考察其工作性能。主要以基于树状分形不对称流场质子交换膜燃料电池为例,通过改变其加湿条件、摆放位置及通入阴极氧化剂类型和入口质量流量来分析质子交换膜燃料电池极化曲线及传质特性的变化,得出适当的工作操作条件。3、通过制备基于树状分形的不对称交指型流场质子交换膜燃料电池来测试及检验其基本性能,并与模拟所得结果做比较,得出在误差允许的范围内,实验数据与模拟极化曲线一致,验证了模拟计算的合理性。本文针对基于树状分形流场进行了设计及分析,得出其传质特点和较合理工作条件,并通过实验验证,证明其结果的合理性,为新型质子交换膜燃料电池流场的设计及制备提供了一定的指导意义。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 流场设计 模拟分析 实验验证
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 质子交换膜燃料电池原理11-14
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池膜电极12-13
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池双极板13-14
• 1.3 质子交换膜燃料电池的特点14-15
• 1.4 质子交换膜燃料电池双极板国内外研究现状15-20
• 1.4.1 典型双极板流场的研究15-16
• 1.4.2 新型双极板流场的研究16-19
• 1.4.3 质子交换膜燃料电池模型及实验研究19-20
• 1.5 本文主要研究内容20-21
• 1.5.1 基于树状分形流场的几何模型及质子交换膜燃料电池的数学模型20
• 1.5.2 基于树状分形不对称流场性能研究20-21
• 1.5.3 操作条件不同对质子交换膜燃料电池性能的影响21
• 1.5.4 实验验证操作条件对电池性能的影响21
• 1.6 本章小节21-22
• 第2章 基于树状分形的交指型与平行流场的设计22-26
• 2.1 树状分形理论及应用22-24
• 2.2 基于树状分形的交指型流场设计24-25
• 2.3 基于树状分形的平行流场设计25
• 2.4 本章小节25-26
• 第3章 基于树状分形流场的PEMFC数学模型26-32
• 3.1 数学模型的基本假设26-27
• 3.2 质子交换膜燃料电池电化学性能方程27-29
• 3.2.1 法拉第定律27
• 3.2.2 Gibbs自由能27-28
• 3.2.3 极化作用28-29
• 3.3 PEMFC守恒方程29-30
• 3.3.1 质量守恒定律29
• 3.3.2 动量守恒方程29-30
• 3.3.3 能量守恒方程30
• 3.4 质子交换膜燃料电池水传输数学模型30-31
• 3.5 本章小结31-32
• 第4章 树状分形不对称流场的性能研究32-48
• 4.1 计算模型32-33
• 4.2 模型边界条件及求解33-34
• 4.2.1 模型边界条件33
• 4.2.2 模型求解33-34
• 4.3 基本模型参数及工作参数34-35
• 4.4 基于树状分形的不对称交指型流场性能35-41
• 4.4.1 三种交指型流场极化曲线的比较36-37
• 4.4.2 交指型流场氢气浓度分布37
• 4.4.3 氢气的流动特性37-38
• 4.4.4 质子交换膜上温度及水分布38-41
• 4.4.5 水对流场性能影响41
• 4.5 基于树状分形的不对称平行流场性能41-47
• 4.5.1 极化曲线及性能42-43
• 4.5.2 有效面积对平行流场极化曲线的影响43-44
• 4.5.3 平行流场的氢气浓度分布及利用率44
• 4.5.4 质子交换膜上温度及水分布44-46
• 4.5.5 水对平行流场性能影响46-47
• 4.6 本章小结47-48
• 第5章 工作条件对树状分形不对称流场性能的影响48-62
• 5.1 反应气体加湿对树状分形不对称流场性能的影响48-52
• 5.2 重力对流场性能的影响52-54
• 5.2.1 重力对基于树状分形的不对称交指型流场PEMFC性能的影响52-53
• 5.2.2 重力对基于树状分形的不对称平行流场性能的影响53-54
• 5.3 采用空气为氧化剂对树状分形不对称流场性能的影响54-59
• 5.3.1 采用空气为氧化剂对树状分形不对称交指型流场PEMFC性能的影响55-58
• 5.3.2 采用空气为氧化剂对树状分形不对称平行流场PEMFC性能的影响58-59
• 5.4 空气输入量对树状分形流场性能的影响59-60
• 5.5 本章小节60-62
• 第6章 PEMFC实验测试及验证62-69
• 6.1 PEMFC单电池部件及组装62-64
• 6.2 实验测试平台64-65
• 6.3 实验结果与分析65-67
• 6.4 本章小节67-69
• 第7章 总结与展望69-71
• 7.1 本文总结69
• 7.2 展望69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 攻读学位期间参与的项目与科研成果77

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