质子交换膜燃料电池堆多物理场数值模拟研究

发布时间：2024-06-13 23:28

　　质子交换膜燃料电池堆模型的开发一直是研究的热点,因为它可以帮助燃料电池开发者改进燃料电池堆的设计,使得能够设计出成本更低,性能更好、效率更高的燃料电池堆。但由于计算成本高、计算时间长,耦合多物理场的电池堆模型较少,大部分的模型只考虑燃料电池堆的流体分布而忽略电化学和传输过程等复杂问题。为此,本文重点是开发一个便于快速计算和分析的燃料电池堆模型,以便能够在多种条件下准确预测燃料电池堆的性能。首先,本文利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.4建立了二维几何单电池模型,分别选用二次电流分布、浓物质传递、Bribkman方程、PDE方程、层流流动以及固体和流体传热等物理场。通过对比仿真性能曲线和实验数据验证了模型的准确性,然后将50个单电池串联构成电池堆。其次,在燃料电池堆流量分配问题上,类比电力网络后,建立了燃料电池堆的流量网络模型。利用MATLAB和COMSOL迭代求解,获得了U型结构和Z型结构燃料电池堆气体、水、电流密度等分布情况。结果表明Z型结构电池堆的分布比U型结构电池堆的分布更加均匀。利用参数化扫描,确定了燃料电池堆比较合适的冷却液流速。通过优化冷却设计得...

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图1-2典型质子交换膜燃料电池（PEMFC）示意图[10]

4图1-2典型质子交换膜燃料电池（PEMFC）示意图[10]1.2.2质子交换膜燃料电池流场类型PEMFC的结构对其性能有显著的影响，可以根据不同的使用要求和所处环境进行设计。流场设计时的主要考虑事项是总压降较小，反应物分布均匀，结构简单和有效除水等。尽管流场设计图形多种多样，但....

图1-3不同类

5因流动路径过长造成较大的压降，对于面积比较大的流场板，在流道后段导致反应气体供应不足，最终影响电池性能[11]。因此单一的蛇形流道主要应用在燃料电池研究初期，但也已经成为了流道构型中的一种基本结构，通常会与其他形式的流道结合应用在流场设计中。③叉指形流场与传统的流场设计不同，叉....

图1-3不同类型流场示意图

5因流动路径过长造成较大的压降，对于面积比较大的流场板，在流道后段导致反应气体供应不足，最终影响电池性能[11]。因此单一的蛇形流道主要应用在燃料电池研究初期，但也已经成为了流道构型中的一种基本结构，通常会与其他形式的流道结合应用在流场设计中。③叉指形流场与传统的流场设计不同，叉....

图1-4燃料电池堆栈示意图[28]

8①-阳极端板；②-阳极集流板；③-冷却流道板；④-阳极气体流道板；⑤-阳极气体扩散层；⑥-质子交换膜；⑦-阴极气体扩散层；⑧-阴极气体流道板；⑨-阴极集流板；⑩-阴极端板图1-4燃料电池堆栈示意图[28]1.3国内外研究现状1.3.1燃料电池堆模型的研究现状燃料电池堆模型的开发....

本文编号：3993810