高温质子交换膜燃料电池快速启动的仿真研究
发布时间：2022-01-16 21:25
高温质子交换膜燃料电池（High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell,HT-PEMFC）工作在120-180℃之间,是基于传统低温质子交换膜燃料电池（Low Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell,LT-PEMFC）而开发的一种新型燃料电池。较高的工作温度避免了LT-PEMFC中的常见问题:复杂的水管理系统、较低的余热回收效率、较高的氢气纯度要求等问题,因此HT-PEMFC在近年成为燃料电池领域研究的新方向。但是HT-PEMFC较高的工作温度导致较长的启动时间,增加了其应用于新能源汽车领域的难度,因此探索合理的组合加热启动策略对于加快其应用于新能源汽车领域具有十分重要的现实意义,本文主要进行了以下工作:（1）建立了HT-PEMFC的三维多相流模型。根据HT-PEMFC内部的反应机理,基于多物理场耦合在comsol中建立了三维多相流模型,并进行相应的网格划分、模型假设以及内部控制方程的描述。（2）通过搭建燃料电池的测试系统,对自行装配的HT-PEMFC进行相关的实验。包括燃料电...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HT-PEMFC结构示意图
2高温质子交换膜燃料电池数学模型152高温质子交换膜燃料电池数学模型本章主要介绍HT-PEMFC数学模型的建立，燃料电池内部反应涉及到的物理场以及模型的相关控制方程。本章建立的关于HT-PEMFC的三维多相流模型对理解电池内部传热传质机理，探究各个参数对电池性能影响规律，进而制定合理的组合启动策略具有重要的作用。2.1计算域和网格划分本章建立的三维模型如图2.1所示，由于本文的研究重点是膜和催化层上的温度变化，所以模型可以进行适当的简化。首先采用单一直流道燃料电池模型来模拟HT-PEMFC的启动过程。同时考虑到单电池模型的对称性，采用对称边界条件，这样可以降低计算量，缩短时间。图2.1三维模型Fig.2.1Three-dimensionalmodel考虑到充分利用现有的计算资源，需要对模型网格进行合理划分，软件默认的网格划分依据物理场控制网格，其单元尺寸从极端粗化到极端细化分为9种。采用标准单元尺寸划分的网格统计如图2.1(a)，可以看出域单元总数很大，并且平均增长率较大，这意味着单元与单元之间的变化较大，易产生较大梯度而不收敛。
重庆大学硕士学位论文16图2.2网格统计图(a)物理场控制网格(b)用户控制网格Fig.2.2Thegridstatisticalmap(a)Physicalfieldcontrolgrid(b)Usercontrolgrid为了降低计算量，简化网格，需要将物理量变化梯度大的网格区域细化，变化梯度小的网格区域粗化。燃料电池的电化学反应主要发生在催化层，质子交换膜中主要是质子和热量的传递，扩散层和流道主要是反应气体和热量的传递，所以应当优先细化催化层的网格数。而在阴阳极的催化层中，阴极催化层反应更为强烈，故阴极催化层网格要更加细化。其次，质子交换膜网格要比催化层网格稍微粗化，最后就是扩散层和流道可以在膜网格粗细的基础上适当粗化。对于双极板，不是研究的主要对象，可以采用软件默认的网格大校采用用户控制网格进行的网格划分见表2.1，网格统计图如图2.2(b)所示，首先总的单元数大大降低，另外平均增长率接近1，说明单元之间的过渡比较平顺，不易出现大的梯度变化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]车用质子交换膜燃料电池系统-10℃低温启动实验研究[J]. 陈沛,陈雪松. 汽车安全与节能学报. 2016(04)
[2]质子交换膜燃料电池启动策略[J]. 彭跃进,彭赟,李伦,刘志祥. 工程科学学报. 2016(03)
[3]丰田燃料电池车Mirai——未来[J]. 付甜甜. 电源技术. 2015(02)
[4]燃料电池汽车研究现状及发展[J]. 李建秋,方川,徐梁飞. 汽车安全与节能学报. 2014(01)
[5]PEM燃料电池堆低温储存与启动方法[J]. 胡章蓉,詹志刚,王慧,潘牧,陈可慧. 电池工业. 2013(06)
[6]质子交换膜燃料电池冷启动水热分布研究进展[J]. 翁元明,林瑞,张路,范仁杰,马建新. 化工进展. 2013(S1)
[7]基于氢气低温催化燃烧的燃料电池低温启动研究进展[J]. 袁庆,郑俊生,马建新. 化工进展. 2013(06)
[8]高温浸渍法PBI/H3PO4复合膜特性及电池性能研究[J]. 李进,李晓锦,鲁望婷,邵志刚,衣宝廉. 电源技术. 2013(05)
[9]中温质子交换膜燃料电池系统设计与实验[J]. 邓金山,许思传,常国峰,沈鹏远. 电源技术. 2013(02)
[10]质子交换膜燃料电池低温启动研究现状[J]. 汪震,潘姣,裴后昌,刘志春,涂正凯. 电池工业. 2012(06)
博士论文
[1]基于芳醚型聚苯并咪唑的高温质子交换膜的制备及性能研究[D]. 李晓白.吉林大学 2017
[2]氧气还原反应催化剂的制备及其电化学性能研究[D]. 黄德康.华中科技大学 2016
[3]电化学环境下铂及其合金表面氧气还原反应的理论研究[D]. 韦广丰.复旦大学 2012
硕士论文
[1]新型碳催化剂载体的研究及其在燃料电池中的应用[D]. 肖婷.华东交通大学 2016
[2]全钒液流储能电池复合Nafion?隔膜的制备与性能研究?[D]. 崔传敏.哈尔滨工业大学 2016
[3]高温PEM燃料电池阴极反应机理及电池特性试验[D]. 宋文帅.沈阳建筑大学 2015
[4]高温质子交换膜燃料电池仿真与设计[D]. 吴禹.浙江大学 2014
[5]高温质子交换膜燃料电池系统的模拟与分析[D]. 冶麟.天津大学 2014
[6]质子交换膜燃料电池冷启动研究[D]. 黄永.武汉理工大学 2008
[7]质子交换膜燃料电池双极板用石墨基复合材料的研究[D]. 马玉恒.浙江大学 2007
[8]PEMFC发动机热管理系统设计及仿真研究[D]. 王贤海.武汉理工大学 2006
本文编号：3593448
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
HT-PEMFC结构示意图
2高温质子交换膜燃料电池数学模型152高温质子交换膜燃料电池数学模型本章主要介绍HT-PEMFC数学模型的建立，燃料电池内部反应涉及到的物理场以及模型的相关控制方程。本章建立的关于HT-PEMFC的三维多相流模型对理解电池内部传热传质机理，探究各个参数对电池性能影响规律，进而制定合理的组合启动策略具有重要的作用。2.1计算域和网格划分本章建立的三维模型如图2.1所示，由于本文的研究重点是膜和催化层上的温度变化，所以模型可以进行适当的简化。首先采用单一直流道燃料电池模型来模拟HT-PEMFC的启动过程。同时考虑到单电池模型的对称性，采用对称边界条件，这样可以降低计算量，缩短时间。图2.1三维模型Fig.2.1Three-dimensionalmodel考虑到充分利用现有的计算资源，需要对模型网格进行合理划分，软件默认的网格划分依据物理场控制网格，其单元尺寸从极端粗化到极端细化分为9种。采用标准单元尺寸划分的网格统计如图2.1(a)，可以看出域单元总数很大，并且平均增长率较大，这意味着单元与单元之间的变化较大，易产生较大梯度而不收敛。
重庆大学硕士学位论文16图2.2网格统计图(a)物理场控制网格(b)用户控制网格Fig.2.2Thegridstatisticalmap(a)Physicalfieldcontrolgrid(b)Usercontrolgrid为了降低计算量，简化网格，需要将物理量变化梯度大的网格区域细化，变化梯度小的网格区域粗化。燃料电池的电化学反应主要发生在催化层，质子交换膜中主要是质子和热量的传递，扩散层和流道主要是反应气体和热量的传递，所以应当优先细化催化层的网格数。而在阴阳极的催化层中，阴极催化层反应更为强烈，故阴极催化层网格要更加细化。其次，质子交换膜网格要比催化层网格稍微粗化，最后就是扩散层和流道可以在膜网格粗细的基础上适当粗化。对于双极板，不是研究的主要对象，可以采用软件默认的网格大校采用用户控制网格进行的网格划分见表2.1，网格统计图如图2.2(b)所示，首先总的单元数大大降低，另外平均增长率接近1，说明单元之间的过渡比较平顺，不易出现大的梯度变化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]车用质子交换膜燃料电池系统-10℃低温启动实验研究[J]. 陈沛,陈雪松. 汽车安全与节能学报. 2016(04)
[2]质子交换膜燃料电池启动策略[J]. 彭跃进,彭赟,李伦,刘志祥. 工程科学学报. 2016(03)
[3]丰田燃料电池车Mirai——未来[J]. 付甜甜. 电源技术. 2015(02)
[4]燃料电池汽车研究现状及发展[J]. 李建秋,方川,徐梁飞. 汽车安全与节能学报. 2014(01)
[5]PEM燃料电池堆低温储存与启动方法[J]. 胡章蓉,詹志刚,王慧,潘牧,陈可慧. 电池工业. 2013(06)
[6]质子交换膜燃料电池冷启动水热分布研究进展[J]. 翁元明,林瑞,张路,范仁杰,马建新. 化工进展. 2013(S1)
[7]基于氢气低温催化燃烧的燃料电池低温启动研究进展[J]. 袁庆,郑俊生,马建新. 化工进展. 2013(06)
[8]高温浸渍法PBI/H3PO4复合膜特性及电池性能研究[J]. 李进,李晓锦,鲁望婷,邵志刚,衣宝廉. 电源技术. 2013(05)
[9]中温质子交换膜燃料电池系统设计与实验[J]. 邓金山,许思传,常国峰,沈鹏远. 电源技术. 2013(02)
[10]质子交换膜燃料电池低温启动研究现状[J]. 汪震,潘姣,裴后昌,刘志春,涂正凯. 电池工业. 2012(06)
博士论文
[1]基于芳醚型聚苯并咪唑的高温质子交换膜的制备及性能研究[D]. 李晓白.吉林大学 2017
[2]氧气还原反应催化剂的制备及其电化学性能研究[D]. 黄德康.华中科技大学 2016
[3]电化学环境下铂及其合金表面氧气还原反应的理论研究[D]. 韦广丰.复旦大学 2012
硕士论文
[1]新型碳催化剂载体的研究及其在燃料电池中的应用[D]. 肖婷.华东交通大学 2016
[2]全钒液流储能电池复合Nafion?隔膜的制备与性能研究?[D]. 崔传敏.哈尔滨工业大学 2016
[3]高温PEM燃料电池阴极反应机理及电池特性试验[D]. 宋文帅.沈阳建筑大学 2015
[4]高温质子交换膜燃料电池仿真与设计[D]. 吴禹.浙江大学 2014
[5]高温质子交换膜燃料电池系统的模拟与分析[D]. 冶麟.天津大学 2014
[6]质子交换膜燃料电池冷启动研究[D]. 黄永.武汉理工大学 2008
[7]质子交换膜燃料电池双极板用石墨基复合材料的研究[D]. 马玉恒.浙江大学 2007
[8]PEMFC发动机热管理系统设计及仿真研究[D]. 王贤海.武汉理工大学 2006
本文编号：3593448
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3593448.html
