质子交换膜燃料电池工作性能数值仿真研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用前景广阔,市场潜力巨大,对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。PEMFC工作过程涉及电化学反应、气体多组分传输、热传递、多孔介质渗流和气液两相流动等多种耦合在一起的复杂的物理化学现象,而且由于燃料电池的复杂结构和尺寸限制,实验数据不易测得。因此,数值模拟仿真技术作为实验技术的必要补充变得非常关键。本文采用一个全面完整的PEMFC三维、两相、稳态、非等温的数学模型进行了模拟分析。该模型综合考虑了电化学反应动力学以及反应气体在流道和多孔介质内的流动和传递过程、电流的传输、热量的传递、水在质子交换膜内的电渗和扩散以及两相流动。模拟的区域包括阴阳极集流板、阴阳极半个流道、阴阳极气体扩散层和催化层、以及质子交换膜。首先利用计算流体力学软件FLUENT和其UDF功能进行电池全场的数值模拟,通过与文献中所公布的实验数据进行对比来验证模型的准确性。该模型能够更全面地反映燃料电池内部的传输现象以及准确地描述电池工作性能。基于该模型通过数值模拟全面分析直流道PEMFC内不同工况下的相关传输现象,得到了电池内部详细的反应物的传输、水的传递、电流的传输以及速度和温度的分布。对PEMFC的一些性能影响因素进行详尽的模拟分析,包括扩散层孔隙率、工作温度、工作压力以及阴阳极的增湿温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 燃料电池
• 1.2.1 燃料电池的工作原理及分类
• 1.2.2 燃料电池发展状况
• 1.3 PEMFC的优点及应用
• 1.4 PEMFC基本结构与工作原理
• 1.5 PEMFC研究现状
• 1.6 本文主要研究工作
• 第二章 PEMFC数学模型及数值仿真综述
• 2.1 一维模型
• 2.2 二维模型
• 2.3 三维模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 PEMFC传输过程及仿真建模
• 3.1 PEMFC传输过程
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 模型假设
• 3.2.2 控制方程
• 3.2.3 源项
• 3.2.4 物性及相关物理量
• 3.3 几何模型及尺寸
• 3.4 边界条件及其他参数
• 3.5 模型验证
• 3.6 本章小结
• 第四章 直流道PEMFC内的传输现象研究
• 4.1 阴极物质传输
• 4.1.1 氧气
• 4.1.2 水蒸气
• 4.1.3 液态水
• 4.2 阳极物质传输
• 4.2.1 氢气
• 4.2.2 水蒸气
• 4.3 速度分布
• 4.4 温度分布
• 4.5 水含量
• 4.6 电子电流传输
• 4.7 本章小结
• 第五章 直流道PEMFC性能影响因素分析
• 5.1 扩散层孔隙率
• 5.2 工作温度
• 5.3 工作压力
• 5.4 阴极增湿温度
• 5.5 阳极增湿温度
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文