基于分支结构的PEMFC双极板流场结构数值模拟与优化

论文摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)具有能量转换效率高、工作温度低、启动快、环境友好、设计操作简单等优点,最有希望成为航天、军事、电动车、移动通信及区域性电站的首选电源。因此,其应用前景十分广阔,市场潜力巨大,是燃料电池研究中的热点。鉴于,目前通过实验手段获得电池内部的温度、压力、物质浓度及电流密度的详细分布比较困难,而且费用很高。采用数值模拟的方法来对PEMFC进行研究,无论是工程上还是技术上都有重要的意义。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。双极板的流场结构与材料对电池性能起着举足轻重的影响。流场结构决定反应剂与生成物在流场内部流动状态以及电池长期运行的稳定性。设计合理的流场应该能均匀分配电池所需燃料与氧化剂,保证电流密度均匀分配；同时将电池的生成水随尾气及时顺利地排出。本文将针对分支结构的质子燃料电池双极板,通过计算流体软件Fluent来进行模拟流场结构及其尺寸的变化对电池性能的影响。描述质子交换膜燃料电池的三维数学模型,包括了流动、传质、电化学反应和水传递等模型。比较了同等条件下,平行流场与分支流场对质子交换膜燃料电池的影响,得出分支流道结构在气压、组分分布和电流密度方面的优越性。最后,根据分支流道结构,优化改进了分支结构的长度比,以改善双极板的电流输出。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 燃料电池
• 1.1.3 质子交换膜燃料电池
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池双极板及其研究进展
• 1.2.2 质子交换膜燃料的流场结构研究进展
• 1.3 课题来源及本文的主要工作
• 第2章 PEMFC计算仿真数学建模
• 2.1 PEMFC电化学理论
• 2.1.1 质子交换膜燃料电池的化学动力学
• 2.1.2 质子交换膜燃料电池电动势
• 2.1.3 质子交换膜燃料电池电极极化
• 2.2 PEMFC数学模型
• 2.2.1 数学模型的基本假设
• 2.2.2 连续性方程
• 2.2.3 动量守恒方程
• 2.2.4 组分方程
• 2.2.5 电位方程
• 2.2.6 能量守恒方程
• 2.3 PEMFC三维仿真几何模型
• 2.3.1 平行流场PEMFC三维模型的建立
• 2.3.2 分支结构流道成形机理
• 2.3.3 模型的网格划分
• 2.4 本章小结
• 第3章 平行流场结构PEMFC仿真及结果分析
• 3.1 CFD仿真概述
• 3.1.1 CFD软件Fluent概述
• 3.1.2 Fluent的PEMFC模块
• 3.2 仿真边界条件设定
• 3.3 FLUENT仿真过程
• 3.3.1 仿真收敛性分析
• 3.4 平行流场仿真结果与讨论
• 3.4.1 极化曲线
• 3.4.2 压力分布
• 3.4.3 氢气、氧气浓度分布
• 3.5 本章小结
• 第4章 分支结构流道仿真结果与讨论
• 4.1 极化曲线
• 4.2 气体压力
• 4.3 组分速度分布
• 4.4 电池温度分布
• 4.5 组分分布
• 4.6 电流密度分布
• 4.7 分支结构流场与平行流场的比较
• 4.8 本章小结
• 第5章 分支流道优化设计
• 5.1 分支流道长度比对流道气场分布的影响
• 5.2 分支流道优化设计理论
• 5.3 分支流道长度比对气场分布影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究生期间发表的论文