基于树叶形态的PEMFC双极板结构设计与优化

论文摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有无污染、能量转换效率高等优点,受到人们广泛的关注,成为21世纪最具有发展前景的能源。由于质子交换膜燃料电池内部工作环境复杂,加之实验条件的限制,因此通过数值模拟的方法对质子交换膜燃料电池进行研究显得非常重要。目前,常规的双极板流场结构由于进出口压降过大,反应气体利用率不高,液态水不易被排出,以及电流密度分布不均匀等现象,制约着质子交换膜燃料电池流场结构的发展,限制了质子交换膜燃料电池性能的提高,本文针对质子交换膜燃料电池双极板的流场结构,设计出两组以树叶叶脉为原型,以Murray法则为基础的新型仿生结构,通过流体动力学软件Fluent的PEM模块对电池内部传质传热以及电化学反应进行模拟分析与优化。首先从进化论的观点出发,认为物种的存在必然有其优越性,对树叶叶脉进行简化,建立一组基于Y型的仿生结构的三维数学模型,该模型考虑了质子交换膜燃料电池内部的热—流—电等多场强耦合,模拟的区域主要包括双极板、流道、阴阳极扩散层、阴阳极催化层和质子交换膜。通过对仿生结构中五种不同仿生结构的氢气摩尔浓度、氧气摩尔浓度、水的摩尔浓度、温度、压强、流道速度以及电流密度的分布,得出Ⅳ形流场结构具有最优的性能,并通过电池的外部操作参数,例如湿度、温度、压强以及过量系数的变化,对Ⅳ形流场结构进行优化,得到最优的外界操作条件；最后,在最优结构和外界操作条件的基础上,设计出两种新型的双极板流场结构。本文从计算机模拟的角度,对双极板新型仿生结构流场的设计与优化进行了研究,为新型质子交换膜燃料电池的流场结构设计提供了一定的帮助,具有一定的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池
• 1.2.2 质子交换膜燃料电池的结构
• 1.2.3 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.2.4 质子交换膜燃料电池的特性
• 1.2.5 质子交换膜燃料电池的双极板
• 1.3 文献综述
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池发展历史
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池流场研究
• 1.3.3 质子交换膜燃料电池新型流场研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 质子交换膜燃料电池数学模型
• 2.1 基本方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 传质方程
• 2.1.3 动量守恒方程
• 2.1.4 能量守恒方程
• 2.1.5 组份守恒方程
• 2.1.6 电流守恒方程
• 2.1.7 电化学方程
• 2.2 电势
• 2.3 水的传输
• 2.4 求解过程
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 阳极边界条件的设定
• 2.5.2 阴极边界条件的设定
• 2.5.3 电势的设定
• 2.6 Murray法则
• 第3章 仿生结构流场内的传输现象研究
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 边界条件和物性参数
• 3.1.3 基本假设
• 3.2 结果与分析
• 3.3 结论
• 第4章 操作参数对电池性能的影响
• 4.1 极化曲线
• 4.2 湿度
• 4.3 温度
• 4.4 压强
• 4.5 结论
• 第5章 仿生流道的优化
• 5.1 几何模型
• 5.2 边界条件和物性参数
• 5.3 结果与分析
• 5.4 结论
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 参考文献