质子交换膜燃料电池新型流场结构水管理模拟研究
发布时间：2021-05-06 01:22
质子交换膜燃料电池因其具有高效率、低温度和零污染的特性而被研究学者广泛关注,成为未来清洁能源的重要利用装置。关于如何获得高性能的质子交换膜燃料电池已经成为本研究领域的热点和难点问题。作为燃料电池电化学反应的唯一产物,良好的水管理能力对燃料电池性能具有非常重要的作用。本文在综合前人研究的基础上,对水管理模拟研究过程中进气气体相对湿度的控制方法进行对比模拟研究,具体分析了三种控制方法下电池性能的输出能力,并在此基础上对提出的新型流场结构进行建模分析,根据其水管理能力和具体的电池性能进行分析改进。首先利用ANSYS软件CFD模块建立质子交换膜燃料电池计算模型,对模拟过程中进气气体相对湿度的不同控制方法进行模拟分析,研究不同控制方法对质子交换膜燃料电池性能的影响因素。研究发现,不论是在温度变量、湿度变量还是压力变量,定比例调节方法相较于定氧调节法和定氮调节法能够更为准确的反应电池的真实工况。其次建立一种新型阴极变截面流场结构计算模型,与传统直流场结构模型以及阴极斜流场结构模型分析对比,模拟研究计算模型的电池输出性能;本文发现高湿度条件下阴极变截面流场结构在0.6 V时取得最大功率密度1.386...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
学位论文数据集
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 引言
1.2 质子交换膜燃料电池
1.2.1 质子交换膜燃料电池工作原理及其构成
1.2.2 质子交换膜燃料电池的水管理
1.3 质子交换膜燃料电池水管理国内外研究现状
1.3.1 分析模型与半经验模型
1.3.2 机理建模
1.3.2.1 一维模型
1.3.2.2 二维模型
1.3.2.3 三维模型
1.4 流场结构设计研究及其现状
1.4.1 蛇形流场
1.4.2 平行流道
1.4.3 多路蛇行流道
1.4.4 非连续型流道
1.4.5 交指型流道
1.5 本文主要研究内容
2 质子交换膜燃料电池数学模型
2.1 燃料电池的基本方程
2.1.1 质量守恒方程
2.1.2 动量守恒方程
2.1.3 能量守恒方程
2.1.4 组分守恒方程
2.2 电化学方程
2.2.1 电流守恒方程
2.2.2 Butler-Volmer方程
2.2.3 开路电压控制方程
2.3 水的变迁模型
2.3.1 液体水的输送控制方程
2.3.2 水的传递模型
2.3.2.1 电迁移
2.3.2.2 压力迁移
2.3.2.3 浓差扩散
3 模型建立及控制方法探究
3.1 计算模型
3.1.1 几何模型
3.1.2 模型假设
3.1.3 网格划分
3.1.4 边界条件
3.1.5 计算参数
3.2 控制方法探究
3.2.1 不同控制方法模拟不同温度下的传统直流道性能
3.2.2 不同控制方法模拟不同相对湿度下的传统直流道性能
3.2.3 不同控制方法模拟不同进气压力下的传统直流道性能
3.3 本章小结
4 流场结构设计及其性能研究
4.1 计算模型
4.1.1 流场结构几何模型及网格划分
4.1.2 边界条件及计算参数
4.2 结果与分析
4.2.1 高湿度条件下性能研究
4.2.1.1 极化曲线与功率密度曲线
4.2.1.2 水管理能力
4.2.2 低湿度条件下性能研究
4.2.2.1 极化曲线与功率密度曲线
4.2.2.2 水管理能力
4.3 本章小结
5 新型流场结构及其水管理
5.1 计算模型
5.1.1 几何模型
5.1.2 模型假设及网格划分
5.1.3 边界条件及计算参数
5.2 结果与分析
5.2.1 高湿度条件下性能研究
5.2.1.1 极化曲线与功率密度曲线
5.2.1.2 水管理能力
5.2.2 低湿度条件下性能研究
5.2.2.1 极化曲线与功率密度曲线
5.2.2.2 水管理能力
5.3 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
作者攻读学位期间发表的学术论文及科研成果目录
作者和导师简介
附件
本文编号：3170962
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
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学位论文数据集
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 引言
1.2 质子交换膜燃料电池
1.2.1 质子交换膜燃料电池工作原理及其构成
1.2.2 质子交换膜燃料电池的水管理
1.3 质子交换膜燃料电池水管理国内外研究现状
1.3.1 分析模型与半经验模型
1.3.2 机理建模
1.3.2.1 一维模型
1.3.2.2 二维模型
1.3.2.3 三维模型
1.4 流场结构设计研究及其现状
1.4.1 蛇形流场
1.4.2 平行流道
1.4.3 多路蛇行流道
1.4.4 非连续型流道
1.4.5 交指型流道
1.5 本文主要研究内容
2 质子交换膜燃料电池数学模型
2.1 燃料电池的基本方程
2.1.1 质量守恒方程
2.1.2 动量守恒方程
2.1.3 能量守恒方程
2.1.4 组分守恒方程
2.2 电化学方程
2.2.1 电流守恒方程
2.2.2 Butler-Volmer方程
2.2.3 开路电压控制方程
2.3 水的变迁模型
2.3.1 液体水的输送控制方程
2.3.2 水的传递模型
2.3.2.1 电迁移
2.3.2.2 压力迁移
2.3.2.3 浓差扩散
3 模型建立及控制方法探究
3.1 计算模型
3.1.1 几何模型
3.1.2 模型假设
3.1.3 网格划分
3.1.4 边界条件
3.1.5 计算参数
3.2 控制方法探究
3.2.1 不同控制方法模拟不同温度下的传统直流道性能
3.2.2 不同控制方法模拟不同相对湿度下的传统直流道性能
3.2.3 不同控制方法模拟不同进气压力下的传统直流道性能
3.3 本章小结
4 流场结构设计及其性能研究
4.1 计算模型
4.1.1 流场结构几何模型及网格划分
4.1.2 边界条件及计算参数
4.2 结果与分析
4.2.1 高湿度条件下性能研究
4.2.1.1 极化曲线与功率密度曲线
4.2.1.2 水管理能力
4.2.2 低湿度条件下性能研究
4.2.2.1 极化曲线与功率密度曲线
4.2.2.2 水管理能力
4.3 本章小结
5 新型流场结构及其水管理
5.1 计算模型
5.1.1 几何模型
5.1.2 模型假设及网格划分
5.1.3 边界条件及计算参数
5.2 结果与分析
5.2.1 高湿度条件下性能研究
5.2.1.1 极化曲线与功率密度曲线
5.2.1.2 水管理能力
5.2.2 低湿度条件下性能研究
5.2.2.1 极化曲线与功率密度曲线
5.2.2.2 水管理能力
5.3 本章小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
作者攻读学位期间发表的学术论文及科研成果目录
作者和导师简介
附件
本文编号：3170962
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