车用质子交换膜燃料电池流场的数值模拟及优化改进

论文摘要

随着地球上一次能源(石油、煤等)日趋枯竭、环境污染日益严重,洁净高效的能源利用方式逐渐成为未来能源开发和利用的方向。质子交换膜燃料电池由于低温易启动、体积比较小、功率密度较大、能量转换效率高、无污染、能根据用电需求改变输出等优点,成为汽车理想的能源。目前的质子交换膜燃料电池尚处于研究阶段,其中双极板流场的研究是一项关键的课题,开发优良的流场是提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的一个核心因素。本文的研究工作主要是针对质子交换膜燃料电池流场,利用计算流体软件CFX来计算模拟流场结构与尺寸对电池性能的影响。首先,描述质子交换膜燃料电池的三维数学模型,包括电池的电化学动力学、电化学反应、电化学速率、电极极化等模型和连续方程、动量方程等数学控制方程;然后,建立了质子交换膜燃料电池阴极简化计算模型,确定了计算的合理边界条件,分析电池阴极内气体流动、扩散传质和组份浓度分布等情况;接着,对电池在不同的进气压力和压力差时的工作情况进行模拟,分析压力对电池工作的影响;在扩散层和催化层宽度固定的情况下,选取不同的流道宽度(脊宽比)、深度等结构计算分析,结果表明,流道的宽度、脊宽与流道深度的比值为1:1:1是较理想的流场尺寸比;接着,以前面计算模型为基础对流场进行改进,把流道的上壁面由平面改为具有一定的波纹形状,并取几组不同的波纹长度和波纹高度(波峰与波谷的距离)值进行计算,通过比较分析得出,波纹高度为0.03mm,波纹长度为0.833mm时,与传统的上壁面为平面的流道相比,通过流道/扩散层界面进入扩散层的气体质量流量提高了1.23倍,对燃料电池传质能力的提高是非常明显的。最后,建立了流道上壁面分别为平面和波纹形面的单通道和多通道蛇形流场以及交叉梳状流场质子交换膜燃料电池阴极的整体计算模型并进行计算分析,结果表明,不论对于单通道流场还是多通道流场的燃料电池,与流道上壁面为平面时相比,流道上壁面为波纹形时,扩散层氧气的浓度要更高,分布更均匀,而且流道内水的浓度要低,排水性能较好,燃料电池的性能得到了提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 质子交换膜燃料电池
• 1.1.1 质子交换膜燃料电池的发展现状
• 1.1.2 质子交换膜燃料电池的结构
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2 质子交换膜燃料电池的双极板和流场
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池的双极板
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的流场
• 1.3 本文的主要工作
• 2 质子交换膜燃料电池仿真建模
• 2.1 质子交换膜燃料电池电化学动力学
• 2.1.1 质子交换膜燃料电池的输出电压
• 2.1.2 质子交换膜燃料电池的效率
• 2.2 质子交换膜燃料电池数学控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程（连续性方程）
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 物料守恒方程
• 2.2.4 电化学反应率
• 2.2.5 电位控制方程
• 2.3 质子交换膜燃料电池三维仿真模型
• 2.3.1 模型实体及网格划分
• 2.3.2 模型仿真计算采用的假设
• 2.3.3 边界条件和物性参数
• 2.4 本章小结
• 3 质子交换膜燃料电池阴极流道仿真结果及影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 阴极的仿真结果
• 3.2.1 阴极流道内气体的速度分布
• 3.2.2 阴极侧组分浓度的分布
• 3.2.3 阴极电流密度的分布
• 3.3 工作参数和结构参数对结果的影响
• 3.3.1 工作压力及压力差对结果的影响
• 3.3.2 流道宽度与脊宽比的影响
• 3.3.3 流道深度对阴极仿真结果的影响
• 3.4 本章小结
• 4 质子交换膜燃料电池阴极流道优化改进及数值仿真
• 4.1 引言
• 4.2 不同波纹高度对燃料电池性能的影响
• 4.3 不同波长对燃料电池性能的影响
• 4.4 本章小结
• 5 PEMFC 阴极的整体模拟及改进优化分析
• 5.1 引言
• 5.2 单通道蛇形流道PEMFC 阴极整体模拟
• 5.2.1 流道上壁面为平面
• 5.2.2 流道上壁面为波纹面
• 5.3 多通道蛇形流道PEMFC 阴极整体模拟
• 5.3.1 流道上壁面为平面
• 5.3.2 流道上壁面为波纹面
• 5.4 交叉梳状流道PEMFC 阴极整体模拟
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录