质子交换膜燃料电池（PEMFC）工作过程的数值模拟与实验研究

发布时间：2021-05-20 23:35

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将化学能直接转化为电能的高效能源转换装置,其化学反应产物主要是水,能实现真正的零污染,被认为是未来最有可能替代传统内燃机的动力源。然而,在燃料电池大规模商业化前,仍面临性能、耐久性和启动性等方面的挑战,并且这些特性受到燃料电池的气体、水与热管理的影响较大。因此,为了进一步较为全面了解整个系统内传热传质的过程,本文基于燃料电池测试系统,开展不同运行条件对燃料电池性能的影响实验研究,同时结合模拟计算手段,研究燃料电池内部传热传质的过程。主要研究内容如下:首先,基于燃料电池实验平台,开展不同背压、进气温度及相对湿度对燃料电池单体性能和启动过程的影响研究。研究结果发现:进气温度和背压非线性协同控制可使燃料电池性能最优。提高背压和相对湿度均可提高电池性能,但相对湿度过高会导致启动稳定性下降。其次,基于FLUENT模拟计算方法,开展燃料电池单体工作过程模拟计算研究,分析不同工作电压、氢气顺流和逆流对产物水和温度的分布以及性能的影响规律。研究结果表明:顺流和逆流对高水含量位置影响较小,均出现在空气出口处;而顺流和逆流对温度与电流密度影响较大,其分布与负荷大小有关... 

【文章来源】：广西大学广西壮族自治区 211工程院校

【文章页数】：111 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第一章 绪论
    1.1 课题背景
        1.1.1 氢能的应用
        1.1.2 燃料电池的发展
        1.1.3 燃料电池的分类
    1.2 质子交换膜燃料电池概述
        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电堆的结构
        1.2.3 质子交换膜燃料电池的工作原理
        1.2.4 质子交换膜燃料电池输出性能的表征
    1.3 质子交换膜燃料电池研究现状及分析
        1.3.1 燃料电池性能及启动实验的试验研究进展
        1.3.2 燃料电池单体工作过程的数值模拟研究现状
        1.3.3 燃料电池电堆工作过程的数值模拟研究现状
        1.3.4 燃料电池冷却方式的研究现状
    1.4 本文研究主要内容与结构
第二章 燃料电池单体性能及启动过程的试验研究
    2.1 质子交换膜燃料电池实验的基本情况
        2.1.1 实验系统
        2.1.2 电池物性参数与组装
        2.1.3 质子交换膜燃料电池的实验方案
    2.2 PEM燃料电池的活化
    2.3 不同工况对PEM燃料电池性能的影响
        2.3.1 背压对PEM燃料电池性能的影响
        2.3.2 进气温度对电池性能的影响
        2.3.3 相对湿度对电池性能的影响
        2.3.4 多因素耦合对PEM燃料电池性能的影响
    2.4 不同工况对 PEM 燃料电池启动过程的影响
    2.5 本章小结
第三章 不同进气方式对燃料电池单体工作过程影响模拟研究
    3.1 模型描述
        3.1.1 几何模型的建立及进气方式
        3.1.2 模型假设
        3.1.3 数学模型的建立
    3.2 物性参数及模拟的边界条件
    3.3 模拟仿真的求解策略及模型验证
        3.3.1 网格划分
        3.3.2 计算方法
        3.3.3 网格独立性验证
        3.3.4 收敛判定
        3.3.5 模型验证
    3.4 模拟结果与讨论
        3.4.1 逆流对催化层中温度分布的影响
        3.4.2 逆流对催化层中水分布的影响
        3.4.3 逆流对催化层中氧气分布的影响
        3.4.4 逆流对催化层中反应热源分布的影响
        3.4.5 逆流对催化层中性能分布的影响
        3.4.6 逆流对性能的影响及其相关因素的分析
    3.5 本章小结
第四章 不同运行条件对燃料电池电堆工作过程影响模拟研究
    4.1 模型描述
        4.1.1 几何模型
        4.1.2 模型假设
        4.1.3 数学模型
        4.1.4 物性参数及边界条件
        4.1.5 模型验证
    4.2 GDL孔隙率对电堆水热分布及性能的影响
        4.2.1 不同孔隙率对性能分布的影响
        4.2.2 不同孔隙率对水分布的影响
        4.2.3 不同孔隙率对温度分布的影响
    4.3 操作压力对电堆水热分布及性能的影响
        4.3.1 不同操作压力对性能分布的影响
        4.3.2 不同操作压力对水分布的影响
        4.3.3 不同操作压力对温度分布的影响
    4.4 工作温度对电堆水热分布及性能的影响
        4.4.1 不同工作温度对性能分布的影响
        4.4.2 不同工作温度对水分布的影响
        4.4.3 不同工作温度对温度分布的影响
    4.5 本章小结
第五章 不同冷却方式对燃料电池电堆工作过程的影响及分析
    5.1 燃料电池内的热平衡理论分析
        5.1.1 电池的发热量
        5.1.2 电池进出口流体的参数
        5.1.3 对流的换热量
        5.1.4 冷却工质的换热量
    5.2 模型描述
        5.2.1 几何模型
        5.2.2 模型假设
        5.2.3 数学模型
        5.2.4 物性参数及边界条件
    5.3 循环水冷却对电堆水热分布及性能的影响
        5.3.1 冷却水流速为0.8m/s和1m/s时,对温度分布的影响
        5.3.2 冷却水流速为0.8m/s和1m/s时,对水分布的影响
        5.3.3 冷却水流速为0.8m/s和1m/s时,对性能分布的影响
    5.4 空气冷却对电堆水热分布及性能的影响
        5.4.1 空气流速为10m/s和15m/s时,对温度分布的影响
        5.4.2 空气流速为10m/s和15m/s时,对水分布的影响
        5.4.3 空气流速为10m/s和15m/s时,对性能分布的影响
    5.5 本章小结
第六章 全文总结与工作展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表论文及参与科研项目情况



本文编号：3198634