质子交换膜燃料电池两相流传递特性研究及数值模拟

发布时间：2017-07-07 05:09

  本文关键词：质子交换膜燃料电池两相流传递特性研究及数值模拟

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【摘要】：质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cells,简称PEMFC)因其工作温度低、电池启动速度快、噪声低、结构紧凑和比功率高等优点得到了世界各国的广泛关注。它不仅可用于航天、军事等特殊领域,而且在电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电站、便携式电器设备等方面具有很大的市场潜力。质子交换膜燃料电池对含水量要求很高,一方面需要足够的水以保证质子交换膜湿润,从而提高质子传导率;另一方面过多的水会导致燃料电池发生水淹,阻碍内部物质传递,不利于电池的持久稳定运行,最终致使电池性能急剧下降。因此,需要对质子交换膜燃料电池进行合理的水管理,分析和研究电池内部水的分布及两相流动情况。通过数值模拟对电池中水的分布和两相流动情况进行分析并对电池内部流体动力学过程进行深入研究,可以从理论上阐述电池的内部运行情况,可以降低实验成本,对保证电池稳定运行和提高其性能有重要意义。在计算流体力学仿真分析软件对燃料电池两相流水管理仿真的模块中,程序所设定的液态水方程控制的液态水流动方式,与燃料电池中液态水的实际流动状态有很大差异,仿真结果与电池的真实工况不符。本文针对目前计算流体动力学仿真分析软件的不足,考虑了液态水在燃料电池中的真实流动情况,建立了与电池真实工况相符的液态水输运控制方程。并将此液态水输运方程添加到流体仿真分析软件中,对燃料电池两相流水管理模块控制程序进行了二次开发。以采用常规条形流场的单流道的质子交换膜燃料电池为例,应用新的液态水传输控制方程,利用开发后的仿真模块建立质子交换膜燃料电池气液两相流数学模型。通过建立的模型来分析电池性能,主要分析电池中的物质分布、传递特性对电池性能的影响,探讨不同操作参数,如阳极出口压力、电池工作温度、阳极反应气体加湿度和工作压力等对电池中的物质传递尤其是水的传递现象以及电池性能的影响,着重研究燃料电池内部气态和液态水的两相流动与分布对电池工作状况和性能的影响。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 两相流 二次开发 数值模拟 水分布
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景及来源9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池两相流模型研究现状10-14
• 1.2.2 阳极出口端封闭式质子交换膜燃料电池研究现状14-16
• 1.3 本文的研究目的和意义16
• 1.3.1 研究目的16
• 1.3.2 研究意义16
• 1.4 本文的主要内容16-19
• 2 PEMFC工作原理及水管理技术19-23
• 2.1 质子交换膜燃料电池组成19-20
• 2.2 质子交换膜燃料电池工作原理20
• 2.3 质子交换膜燃料电池水管理20-21
• 2.4 质子交换膜燃料电池水管理发展方向21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 3 质子交换膜燃料电池控制方程23-27
• 3.1 基本控制方程23-25
• 3.2 液态水输运控制方程25-26
• 3.3 本章小结26-27
• 4 PEMFC建模及两相流水管理模块控制程序二次开发27-39
• 4.1 PEMFC建模27-30
• 4.1.1 三维几何模型27-28
• 4.1.2 模型参数28
• 4.1.3 网格划分28-29
• 4.1.4 模型假设29
• 4.1.5 边界条件29
• 4.1.6 物理性质参数29-30
• 4.2 两相流水管理模块控制程序二次开发30-37
• 4.2.1 CFD软件介绍30-32
• 4.2.2 编写控制程序32-34
• 4.2.3 设置环境变量34-35
• 4.2.4 二次开发后软件性能分析35-37
• 4.3 本章小结37-39
• 5 不同操作参数下电池性能仿真分析39-63
• 5.1 阳极出口开放式PEMFC仿真分析39-46
• 5.1.1 PEMFC物质传递及性能分析39-43
• 5.1.2 压力对PEMFC含水量及性能影响43-46
• 5.2 阳极出口封闭式PEMFC仿真分析46-60
• 5.2.1 PEMFC含水量及性能分析47-51
• 5.2.2 工作温度对PEMFC含水量及性能影响51-54
• 5.2.3 气体加湿度对PEMFC含水量及性能影响54-57
• 5.2.4 工作压力对PEMFC含水量及性能影响57-60
• 5.3 本章小结60-63
• 6 总结与展望63-65
• 6.1 总结63-64
• 6.2 研究展望64-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-73
• 附录73-84
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果84

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本文编号：528921