车用PEM燃料电池的动态特性与耐久性研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是目前很有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源,市场前景相当可观,但燃料电池的一些机理和耐久性问题目前仍没有解决。本文将针对燃料电池的内部机理、动态特性和耐久性,通过计算流体动力学软件Fluent、MATLAB/Simulink和ANSYS来研究电池的动态性能。首先,描述质子交换膜燃料电池内部传质基本原理,然后建立单流道燃料电池几何模型,运用Fluent软件的PEM模块对其进行模拟分析,研究得出电池性能最佳时的操作压力为2atm。接着,将操作压力从1atm升高到2atm,计算研究膜中水的动态分布。结果表明,操作压力升高,膜中的水含量随之升高,并且膜中线处大约需要0.5s才能达到新的稳态,与膜达到稳态的时间大致相同,从而提高了燃料电池的性能。然后,建立了MATLAB/Simulink的单电池模型,其活化面积为25cm~2,主要研究操作压力对氢气和氧气分压的影响,进而研究其对燃料电池性能的影响。结果表明电池输出功率和效率随着操作压力的升高而升高,并且等效内阻会随着操作压力的升高而降低。当操作压力上升为2atm时,电池的输出功率为10.1042W,效率为57.57%,等效内阻为0.0331Ω。并且得出Simulink仿真大电池和电堆时效果较好,对于仿真小电池则具有一定的滞后性。最后,用ANSYS设计了质子交换膜燃料电池的平面应变模型,仿真结果表明,电池装配过程中,如果只考虑装配,质子交换膜达到屈服需要加载s=6.55μm的位移载荷,而如果转化为加载压力,则需加载P=4.59MPa的力。给电池施加温度场后,施加s=3.95μm的位移载荷,膜已经达到了屈服极限,跟加载4.336MPa的力效果相同。热载荷对膜中心位置的寿命影响较大,而机械载荷对岸下对应的膜的寿命影响较大。给电池施加载荷后,膜靠近两侧的位置等效应力最大,此处最先失效。本文主要从计算机仿真的角度,对车用质子交换膜燃料电池的内部机理及其耐久性进行研究,对于质子交换膜燃料电池的设计制造具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 燃料电池
• 1.1.2 PEM燃料电池结构
• 1.1.3 PEM燃料电池工作原理
• 1.1.4 质子交换膜中水的迁移
• 1.1.5 PEM燃料电池电动汽车
• 1.2 文献练述
• 1.2.1 PEM燃料电池动态特性的研究
• 1.2.2 PEM燃料电池耐久性的研究
• 1.3 本文工作
• 1.3.1 基于Fluent的燃料电池动态传输模拟
• 1.3.2 基于Matlab/Simulink的燃料电池动态特性仿真
• 1.3.3 PEM燃料电池膜的耐久性研究
• 第2章 PEM燃料电池动态传输的数学模型
• 2.1 计算流体动力学基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 组份守恒方程
• 2.2 电化学与电流守恒方程
• 2.2.1 电化学方程
• 2.2.2 电流守恒方程
• 2.3 Springer水传递模型
• 2.3.1 电迁移
• 2.3.2 浓差扩散
• 2.3.3 压差迁移
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于Fluent的燃料电池动态传输模拟
• 3.1 Fluent计算流体动力学仿真软件
• 3.1.1 Fluent简介
• 3.1.2 PEM模块介绍
• 3.2 三维计算模型
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 边界条件和物性参数
• 3.2.3 模型假设
• 3.3 操作压力对电池性能的影响
• 3.3.1 操作压力对电池性能的影响
• 3.3.2 操作压力对水传输的影响
• 3.3.3 其它操作条件对电池动态性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于Matlab/Simulink燃料电池动态特性仿真
• 4.1 Matlab/Simulink动态仿真软件
• 4.2 PEM燃料电池模型
• 4.2.1 电化学模型
• 4.2.2 单电池的Simulink模型
• 4.3 燃料电池的动态特性分析
• 4.3.1 操作压力从1atm上升到2atm电池的动态响应
• 4.3.2 电流密度阶跃输入电池的动态响应
• 4.4 Simulink和Fluent模拟结果的比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 PEM燃料电池膜的耐久性研究
• 5.1 ANSYS有限元结构分析软件
• 5.2 PEM燃料电池耐久性分析模型
• 5.2.1 ANSYS有限元分析模型
• 5.2.2 几何模型
• 5.2.3 材料属性和物性参数
• 5.3 机械应力分析
• 5.4 热应力与机械应力耦合分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目