车用质子交换膜燃料电池建模与仿真研究

发布时间：2023-05-13 15:10

　　以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有冷启动快、工作温度低、零排放、高效率、高功率密度等特点,特别适合应用于新能源汽车中而受到广泛关注。燃料电池涉及多种复杂的组分传输和电化学反应,这些反应彼此耦合并且以不同的空间和时间尺度发生,由于电池尺寸太小,电池中反应物的局部分布和传输很难测量,数值模拟和仿真技术恰好能够弥补这些不足,能够帮助更好地理解电池中发生的物理化学现象,并为优化燃料电池系统提供有用的工具。本文以PEM燃料电池在汽车上的应用为研究目标,对车用PEM燃料电池建模与仿真进行了较为详细的研究。首先,建立具有三维特性,考虑电池内气液两相流影响,非等温单直流道PEMFC模型,利用FLUENT求解器求解电池所有的控制方程,详细的研究分析了电池工作参数(电池工作温度,具有非对称阳极进气湿度,阴阳极工作压力)对车用PEM燃料电池稳态性能(传质,传电,膜内水输运)的影响机制,结果表明电池工作温度、进气温度与相对湿度(RH)密切相关,均对电池性能有较大影响,电池性能随着阳极相对湿度(RHa)的升高而显著增强,尤其表现在中高电流密度下;而阴极相对湿度(RHc)对性能的提升在低电流区域比...

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【学位级别】：硕士

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摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题背景
    1.2 质子交换膜燃料电池概述
        1.2.1 PEMFC原理及结构部件
        1.2.2 PEMFC输出性能表征
    1.3 质子交换膜燃料电池研究现状及分析
        1.3.1 PEMFC数值模拟与仿真研究现状
        1.3.2 工作状态因素对电池性能影响的研究
    1.4 本文研究内容与结构
第二章 PEM燃料电池单体数学模型
    2.1 PEM燃料电池数学模型描述及假设
    2.2 PEM燃料电池基本控制方程及源项
        2.2.1 质量守恒控制方程
        2.2.2 动量守恒控制方程
        2.2.3 能量守恒控制方程
        2.2.4 组分守恒控制方程
        2.2.5 电荷守恒控制方程
    2.3 电化学反应模型
    2.4 膜电极水传输模型
    2.5 PEM燃料电池物性参数
    2.6 模型边界条件及反应物料属性
        2.6.1 模型边界条件
        2.6.2 反应物料属性
    2.7 本章小结
第三章 工作参数对PEMFC稳态性能的影响及评估
    3.1 PEMFC三维仿真模型准备及验证
        3.1.1 PEMFC几何建模及网格划分
        3.1.2 数值方法与过程
        3.1.3 模型验证
    3.2 工作参数对PEMFC稳态性能的影响分析
        3.2.1 阳极工作压力对PEMFC性能的影响
        3.2.2 阴极工作压力对PEMFC性能的影响
        3.2.3 相对湿度和工作温度对PEMFC性能的影响
    3.3 基于输出性能的工作参数敏感性评估
    3.4 本章小结
第四章 PEM燃料电池堆栈动态建模及热力学分析
    4.1 水冷型PEM燃料电池堆栈数学模型
        4.1.1 阴、阳极流道模型
        4.1.2 电池体模型
        4.1.3 电化学模型
    4.2 模型假设
    4.3 Simulink模型搭建及验证
    4.4 水冷PEM燃料电池堆栈的启动-变载动态响应分析
        4.4.1 启动-变载过程电压及功率动态响应
        4.4.2 启动-变载过程的温度动态响应
        4.4.3 启动-变载过程的过电势动态响应
        4.4.4 启动-变载过程中阴阳极流道反应气体动态响应
    4.5 PEM燃料电池热力学分析
        4.5.1 PEM燃料电池能量数学模型
        4.5.2 能量分析与讨论
    4.6 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 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：3816067