质子交换膜燃料电池流场数值计算与优化设计研究

发布时间：2022-05-08 09:16

　　质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有响应速度快、体积功率密度高、使用寿命长、结构简便、运行可靠无噪音、反应转气体化学转换率高且不受卡诺循环限制等优势。在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中,通过流场设计实现均匀的反应气体分布,从而能够提高电池性能。论文围绕质子交换膜燃料电池流场设计及优化,通过数值模拟研究流场结构燃料电池性能的影响。采用数值模拟方法,研究了不同流道截面对电池输出性能、反应气体分布、流速和压降的影响。结果表明,反应气体浓度随流道方向呈下降趋势,梯形截面具有最佳的反应气体分布和除水效率。此外,在其他流动特性上,半圆形截面压降最高,间距式凸台截面压力分布最为均匀;梯形截面具有最佳电池性能且在传质方面表现良好。在梯形截面的基础上,通过数值仿真针对不同顶部宽度及流道与肋宽比,研究不同参数与燃料电池性能之间的关系。随着宽度降低反应气体分布均匀性及压降逐渐上升,较低的梯形上端宽度,其气体质量传输能力最佳;由于氢气物性中的扩散系数远大于氧气,当宽度比的增加时,阳极反应气体受影响较低,阴极的氧气分布均匀性急剧下降,在离流道越远的肋下区域氧气浓度越低且水大量积聚,严重影响电池性能。为了提高运... 

【文章页数】：62 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景
        1.1.1 质子交换膜燃料电池原理
        1.1.2 质子交换膜燃料电池结构
        1.1.3 质子交换膜燃料电池发展
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 燃料电池模型研究
        1.2.2 燃料电池流道截面及参数研究
        1.2.3 燃料电池流场设计
    1.3 本文研究内容
第2章 燃料电池数学模型建立
    2.1 控制方程
    2.2 模型验证
    2.3 本章小结
第3章 燃料电池单流道设计与仿真分析
    3.1 燃料电池单流道模型
        3.1.1 数值模型假设与参数
        3.1.2 数值模型参数设置
        3.1.3 网格划分
    3.2 流道截面对单流道PEMFC内部传质影响
    3.3 流道截面对单流道PEMFC内部压力影响
    3.4 流道截面对单流道PEMFC温度分布影响
    3.5 流道截面对单流道PEMFC流速影响
    3.6 流道截面对单流道性能影响
    3.7 本章小结
第4章 燃料电池梯形流道参数优化研究
    4.1 梯形上端宽度对电池性能影响
        4.1.1 模型建立
        4.1.2 模拟计算及结果分析
    4.2 流道宽度与肋宽比对电池性能影响
        4.2.1 模型建立
        4.2.2 模拟计算及结果分析
    4.3 本章小结
第5章 基于强化肋下传质的新型流场设计与研究
    5.1 燃料电池单电池模型
        5.1.1 流道结构设计
        5.1.2 模型假设
        5.1.3 数值模型参数设置
        5.1.4 网格划分与相关性验证
    5.2 不同出口高度对PEMFC电流密度影响
    5.3 不同出口高度对PEMFC内部传质影响
    5.4 不同出口高度对PEMFC内部工作压力分布及进出口压降影响
    5.5 本章小结
结语
参考文献
攻读硕士学位期间主要的研究成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]氢能与燃料电池发展现状及展望[J]. 邵志刚,衣宝廉.  中国科学院院刊. 2019(04)
[2]蛇形流场PEMFC性能影响因素的数值模拟[J]. 陈士忠,夏忠贤,王艺澄,张旭阳,吴玉厚.  电源技术. 2017(02)
[3]燃料电池的关键技术[J]. 侯明,衣宝廉.  科技导报. 2016(06)
[4]质子交换膜燃料电池单体电压均衡性研究综述[J]. 戴朝华,史青,陈维荣,李艳昆,刘志祥,李奇.  中国电机工程学报. 2016(05)
[5]质子交换膜燃料电池平行流场优化[J]. 邱成,鲁聪达,文东辉.  轻工机械. 2014(03)
[6]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)
[7]中国全要素能源效率评价与解构——基于“管理—环境”双重视角[J]. 李兰冰.  中国工业经济. 2012(06)
[8]我国新能源发展障碍与应对:全球现状评述[J]. 闫强,陈毓川,王安建,王高尚,于汶加,陈其慎.  地球学报. 2010(05)
[9]全球新能源发展模式及对我国的启示[J]. 江凯,杨美英.  水电能源科学. 2010(01)
[10]节能和碳排放约束下的中国能源结构战略调整[J]. 林伯强,姚昕,刘希颖.  中国社会科学. 2010(01)

博士论文
[1]基于强化传质的燃料电池流场优化及水热管理研究[D]. 沈俊.华中科技大学 2018

硕士论文
[1]燃料电池系统热力学性能分析及多目标优化研究[D]. 白海霞.湖南理工学院 2018
[2]质子交换膜燃料电池的流场结构优化与新型流场研究[D]. 熊济时.武汉理工大学 2006



本文编号：3651378