質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一個多物理場、多相和多尺度的復雜動態(tài)系統(tǒng)。電池在運行過程中,反應氣體從外界到反應區(qū)域經(jīng)歷了流場-擴散層-催化層等多尺度的傳輸過程。影響物質傳輸以及電池性能的因素有很多,而擴散層孔隙率和流場結構也是其中的關鍵因素,并且成為了當今科研工作者們關注的焦點。合理的擴散層孔隙率結構或流場結構可以改善反應氣體傳輸效率低、流道內(nèi)壓損大、電池“水淹”等問題,并起到改善PEMFC整體性能的目的。為了改善上述存在問題,基于多物理場耦合分析軟件,對擴散層孔隙率和流場結構進行了優(yōu)化研究,具體研究內(nèi)容如下:(1)擴散層孔隙率對燃料電池內(nèi)的物質傳輸以及整體性能的影響。針對直流道PEMFC,研究了孔隙率沿厚度、寬度和長度三個方向上變化的復合多孔擴散層,綜合分析了三個方向上復合多孔擴散層燃料電池的氧氣濃度分布、液態(tài)水濃度分布以及電流密度分布。結果表明:孔隙率沿三個方向變化的不同復合多孔擴散層與孔隙率均勻分布(=0.5)的擴散層相比,均不同程度地改善了擴散層的物質傳輸能力、排水能力,使電池獲得更好的性能。(2)新型流場結構對燃料電池性能的影響。分別研究了在流道的軸線上均勻分布不同數(shù)量(...

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 課題背景
        1.1.1 燃料電池的概述
        1.1.2 燃料電池的分類
    1.2 質子交換膜燃料電池
        1.2.1 質子交換膜燃料電池的結構
        1.2.2 質子交換膜燃料電池的工作原理
        1.2.3 質子交換膜燃料電池的優(yōu)缺點
        1.2.4 質子交換膜燃料電池的應用
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 擴散層方面
        1.3.2 流場方面的研究
    1.4 課題研究的意義和主要內(nèi)容
        1.4.1 課題研究的意義
        1.4.2 本文主要內(nèi)容
第2章 PEMFC模型的建立
    2.1 模擬流程及方法
    2.2 流體力學模型
        2.2.1 質量守恒方程
        2.2.2 動量守恒方程
        2.2.3 能量守恒方程
        2.2.4 組分守恒方程
    2.3 電化學反應方程
        2.3.1 Bulter-Volmer方程
        2.3.2 電荷守恒方程
        2.3.3 反應物的消耗和水的生成
    2.4 電極的極化
        2.4.1 開路電壓和極化曲線
        2.4.2 活化極化
        2.4.3 歐姆極化
        2.4.4 濃差極化
    2.5 本章小結
第3章 復合多孔擴散層對PEMFC性能的影響
    3.1 仿真計算模型
        3.1.1 幾何模型
        3.1.2 模型的假設
        3.1.3 模型的驗證
        3.1.4 模型驗證結果分析
        3.1.5 模擬方案
    3.2 結果與分析
        3.2.1 孔隙率沿X軸方向變化結果分析
        3.2.2 孔隙率沿Y軸方向變化結果分析
    3.3 本章小結
第4章 流場溝槽對PEMFC性能的影響
    4.1 模型的建立
        4.1.1 幾何模型
        4.1.2 參數(shù)及邊界條件
        4.1.3 計算假設條件
    4.2 結果與分析
        4.2.1 矩形溝槽數(shù)量對電池性能的影響分析
        4.2.2 溝槽類型對電池性能的影響分析
    4.3 本章小結
第5章 流場結構對PEMFC性能的影響
    5.1 平行流場PEMFC模型
        5.1.1 幾何模型
        5.1.2 模型的驗證
    5.2 結果與分析
        5.2.1 脊背寬度對電池性能的影響分析
        5.2.2 流道寬度對電池性能的影響分析
    5.3 蛇形流場計算模型
        5.3.1 幾何模型
        5.3.2 邊界條件和物性參數(shù)
        5.3.3 模型假設
        5.3.4 網(wǎng)格劃分
    5.4 蛇形流場結構對電池性能的影響分析
        5.4.1 蛇形流道數(shù)對流道內(nèi)壓降的影響分析
        5.4.2 拐角結構對流道內(nèi)速度影響分析
    5.5 本章小結
第6章 總結與展望
    6.1 總結
    6.2 展望
參考文獻
作者簡介
致謝



本文編號：3837315