本文選題：質子交換膜燃料電池 + 水管理�。� 參考：《浙江大學》2014年博士論文

【摘要】：燃料電池是直接將化學能轉化為電能的能源動力裝置,具有效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點,被認為是極具發(fā)展?jié)摿蛻们熬暗目沙掷m(xù)利用清潔能源裝置。以質子交換膜燃料電池為代表的燃料電池技術表現(xiàn)出巨大的商業(yè)應用價值,吸引了眾多研究人員的關注和興趣。從最新的研究情況看,雖然質子交換膜燃料電池技術正在趨于成熟,但仍有許多關鍵問題急需解決,成為制約其大規(guī)模商業(yè)化的重要因素。本論文著眼于質子交換膜燃料電池的水管理問題,針對目前實驗技術無法達到的區(qū)域,基于格子Boltzmann數(shù)值計算方法,開發(fā)了一套可以實時動態(tài)分析和模擬質子交換膜燃料電池內部多相多組分流動的計算程序,系統(tǒng)分析了質子交換膜燃料電池中液態(tài)水的傳輸現(xiàn)象。具體研究內容包括以下幾個部分： 第一,充分認識液態(tài)水在氣體擴散層和微孔層內部的傳輸過程對質子交換膜燃料電池的水平衡管理,避免水淹引起的性能下降至關重要。本文通過數(shù)值重構GDL-MPL多孔介質模型,采用格子Boltzmann方法兩相流動模型研究了液態(tài)水在GDL-MPL模型中的傳輸機理、微觀孔隙結構對水傳輸?shù)挠绊?詳細分析了氣體擴散層內部水傳輸現(xiàn)象,微孔層存在對水管理的作用,以及氣體擴散層、微孔層以及兩者交界面中存在不同裂縫時對水傳輸?shù)挠绊�。研究結果表明：多孔介質內部水傳輸主要受毛細力控制；微孔層可以有效控制液態(tài)水回流,緩解水淹電極的情況；GDL-MPL模型內部存在裂縫對水飽和度有顯著影響。 第二,質子交換膜燃料電池電化學反應所產生的液態(tài)水經毛細力作用通過多孔氣體擴散層后,最終會以液滴的形式出現(xiàn)在擴散層表面。研究與氣體擴散層界面相關的氣液兩相傳輸現(xiàn)象是分析質子交換膜燃料電池內部反應物輸送和水管理的重要內容。本文采用格子Boltzmann方法兩相流動模型,對氣體擴散層與氣道交界面上的氣液兩相傳輸問題進行了研究,詳細探討了不同孔隙間距、微通道氣體速度大小不同孔隙直徑以及擴散層表面潤濕特性對液滴形成和動態(tài)特性的影響。研究結果表明：增大孔隙間距和氣體流速,采用疏水性表面可以減少液滴之間的相互作用,提高液態(tài)水排出效率。模擬結果為深入理解氣體擴散層界面水傳遞機制提供了參考。 第三,液態(tài)水經氣體擴散層表面脫落后進入氣體流道。針對液態(tài)水在氣道中的有效排出雖然已開展了大量的研究工作,但仍有許多問題有待深入理解,特別是水在流道內的具體傳遞過程。本文采用格子Boltzmann方法兩相流動模型模擬了不同形狀氣體流道內水滴的傳遞現(xiàn)象。研究結果表明：對于直角型氣道,水滴最終都附著在氣道壁面上,很難從氣道內排出；而對于U-型氣道,水滴的傳輸特性有很大改善,氣體流道內的水滴較容易排出,特別是當提高氣體流速以及表面接觸角時效果更明顯。 最后,由于質子交換膜燃料電池催化層內部傳輸特性復雜,目前對其孔隙尺度傳輸現(xiàn)象的研究報道較少。本文將二維多相多組分格子Boltzmann模型成功拓展到三維,參考催化層真實微觀結構,并對其進行了一定的簡化處理,數(shù)值重構了催化層三維多孔結構；采用三維格子Boltzmann多相多組分模型對催化層傳輸特性進行了初步模擬分析。研究結果表明：多孔介質微觀結構對催化層傳輸特性有顯著影響。 本文針對質子交換膜燃料電池水管理問題,從孔隙尺度上系統(tǒng)研究了氣體擴散層、微孔層、氣體擴散層表面、氣體流道、催化層內部流動過程,揭示了其傳輸機理,研究結果為改善質子交換膜燃料電池水管理技術提供了有力的分析手段和理論基礎。
[Abstract]:Fuel cell is an energy power device that directly converts chemical energy into electrical energy. It has the advantages of high efficiency and friendly environment. It is considered to be a sustainable and clean energy device with great potential and application prospects. The fuel cell technology represented by proton exchange membrane fuel cell has shown great commercial application value and attracted many people. According to the latest research situation, although proton exchange membrane fuel cell technology is becoming mature, there are still many key problems to be solved and become an important factor restricting its large-scale commercialization. This paper focuses on the water management of proton exchange membrane fuel cells, aiming at the current experimental technology. Based on the lattice Boltzmann numerical calculation method, a set of computational program for real-time dynamic analysis and Simulation of multiphase multicomponent flow in proton exchange membrane fuel cells is developed. The transmission of liquid water in proton exchange membrane fuel cells is analyzed systematically. The specific contents include the following parts:
First, we fully understand the water balance management of the liquid water in the gas diffusion layer and the microporous layer and the water balance management of the proton exchange membrane fuel cell, so as to avoid the performance decline caused by water flooding. In this paper, the GDL-MPL porous medium model is reconstructed by numerical method and the lattice Boltzmann square flow model is used to study the liquid water in the GDL-MPL The transmission mechanism in the model and the effect of micro pore structure on the water transport are analyzed in detail. The effects of the microporous layer on water management, the effect of the gas diffusion layer, the microporous layer and the different cracks on the water transport are analyzed. The results show that the water transmission inside the porous medium is water transmission. The transmission is mainly controlled by the capillary force, and the microporous layer can effectively control the reflux of liquid water and alleviate the condition of water flooded electrode. The internal cracks in the GDL-MPL model have a significant influence on water saturation.
Second, the liquid water produced by the electrochemical reaction of the proton exchange membrane fuel cell passes through the porous gas diffusion layer through the capillary force action through the porous gas diffusion layer and eventually appears on the surface of the diffusion layer in the form of droplets. The gas and liquid two phase transport phenomena related to the interface of the gas diffusion layer are the analysis of the transport and water of the internal reactant in the proton exchange membrane fuel cell. In this paper, the two phase flow model of the lattice Boltzmann method is used to study the gas and liquid two phase transport in the gas diffusion layer and the airway interface. The formation and dynamic characteristics of the droplet formation and the wetting characteristics of the microchannel gas velocity, as well as the wetting characteristics of the diffusion layer surface, are discussed in detail. The results show that the increase of pore space and gas flow velocity, the use of hydrophobic surface can reduce the interaction between droplets and improve the efficiency of liquid water discharge. The simulation results provide a reference for understanding the mechanism of water transfer at the interface of gas diffusion layer.
Third, liquid water goes into the gas channel after the surface of the gas diffusion layer falls off. Although a lot of research work has been carried out on the effective discharge of liquid water in the airways, there are still many problems to be deeply understood, especially the concrete transfer process of water in the flow channel. This paper uses the lattice Boltzmann method to simulate the two phase flow model. The transfer of water droplets in the same shape gas channel shows that the drop of water droplets is difficult to discharge from the airway for the right angle airway, and it is difficult to discharge from the airways. For the U- type airways, the transmission characteristics of the droplets are greatly improved, and the water droplets in the gas channel are easily discharged, especially when the gas flow velocity and surface connection are raised. The effect of the antennae is more obvious.
At last, due to the complex transmission characteristics in the catalytic layer of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), there are few reports on the pore size transmission at present. In this paper, the two-dimensional multiphase multi component lattice Boltzmann model has been successfully expanded to three-dimensional, and the real microstructure of the catalytic layer is referred to, and a certain simplified treatment is carried out. The three-dimensional porous structure of the layer is transformed, and the transmission characteristics of the catalytic layer are simulated by the three-dimensional lattice Boltzmann multiphase multicomponent model. The results show that the microstructure of the porous medium has a significant influence on the transmission characteristics of the catalytic layer.
Aiming at the water management of proton exchange membrane fuel cell, this paper systematically studies the gas diffusion layer, microporous layer, the surface of the gas diffusion layer, the gas flow channel, the internal flow process of the catalytic layer from the pore scale, and reveals its transmission mechanism. The results provide a powerful analysis method for improving the water management technology of the proton exchange membrane fuel cell. Theoretical basis.
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM911.4

【共引文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張德興;不可壓縮流的晶格玻耳茲曼模型的討論[J];安徽師范大學學報(自然科學版);2003年04期

2 ;A novel incompressible finite-difference lattice Boltzmann equation for particle-laden flow[J];Acta Mechanica Sinica;2005年06期

3 李維仲;董波;宋永臣;;水平通道內黏性指進現(xiàn)象LBM模擬[J];大連理工大學學報;2012年03期

4 廖全;李隆鍵;崔文智;;不可壓縮流體周期性流動格子波爾茲曼的邊界處理[J];重慶大學學報;2010年12期

5 董志強;李維仲;陳建峰;呂和祥;;柱狀填料絲促進液相強制對流傳質的Lattice Boltzmann模擬[J];工程力學;2008年06期

6 李劍;施娟;邱冰;曾衛(wèi)東;冉輝;李華兵;;用格子玻爾茲曼方法研究粒子在渦流中的運動[J];桂林電子科技大學學報;2007年05期

7 封永亮;喻志強;李增耀;陶文銓;;LBM與ACM耦合求解多孔介質非穩(wěn)態(tài)流動[J];工程熱物理學報;2013年11期

8 劉常福;石偉玉;臧振明;侯中軍;于文志;;燃料電池備用電源在通信基站的應用[J];電池工業(yè);2013年Z2期

9 徐云飛;陳奔;余意;涂正凱;潘牧;;漸擴型流場PEM燃料電池性能影響研究[J];電池工業(yè);2013年Z2期

10 吳承偉;林鵬;;燃料電池電堆最優(yōu)封裝力設計與分析技術[J];電源技術;2013年09期

相關會議論文 前4條

1 劉天成;劉高;葛耀君;吳宏波;曹豐產;;基于拓展LB方法的橋梁結構數(shù)值風洞軟件研發(fā)及應用[A];第十四屆全國結構風工程學術會議論文集（下冊）[C];2009年

2 王興勇;郭軍;劉樹坤;謝省宗;;Lattice Boltzmann方法的分塊-耦合算法[A];計算流體力學研究進展——第十二屆全國計算流體力學會議論文集[C];2004年

3 胡桂林;Qianpu Wang;李國能;鄭友取;張治國;;PEMFC催化層參數(shù)優(yōu)化的聚團模型和數(shù)值模擬[A];能源高效清潔利用及新能源技術——2012動力工程青年學術論壇論文集[C];2013年

4 張傳虎;徐小蓉;孫其誠;金峰;;自由表面顆粒流的Lattice Boltzmann三維模擬[A];2014顆粒材料計算力學會議論文集[C];2014年

相關博士學位論文 前10條

1 吳鋒;基于GPU并行計算的數(shù)值模擬與燃煤鍋爐系統(tǒng)的優(yōu)化研究[D];浙江大學;2010年

2 張邵波;納米流體強化傳熱的實驗和數(shù)值模擬研究[D];浙江大學;2009年

3 閆鉑;反應擴散方程的格子Boltzmann方法及數(shù)值模擬[D];吉林大學;2011年

4 榮伏梅;基于格子Boltzmann方法的多孔介質REV尺度的流動與強化傳熱研究[D];華中科技大學;2011年

5 栗懷廣;鈍體空氣動力學的格子玻爾茲曼方法[D];西南交通大學;2010年

6 王勇;格子Boltzmann方法在熱聲領域的應用及熱聲諧振管可視化實驗研究[D];西安交通大學;2009年

7 張云;多孔介質中流動的格子Boltzmann模擬[D];中國石油大學;2011年

8 曾建邦;基于氣泡生長及多相流動的格子Boltzmann模型及應用研究[D];重慶大學;2011年

9 鄭海成;格子Boltzmann模擬動邊界流動問題[D];吉林大學;2011年

10 譚玲燕;用格子Boltzmann方法模擬圓柱的攪動流動及減阻[D];吉林大學;2011年

相關碩士學位論文 前10條

1 王銳;虛擬環(huán)境中海洋場景建模與繪制研究及實現(xiàn)[D];安徽大學;2011年

2 李國平;二維方腔內非牛頓流體的格子Boltzmann模擬[D];華中科技大學;2010年

3 張利紅;方腔內帶Soret效應和Dufour效應的雙擴散對流的格子Boltzmann模擬[D];華中科技大學;2010年

4 張李超;微尺度流體流動和混合的LBM模擬[D];清華大學;2010年

5 曹宇;基于LBM的地下礦火災熱流仿真研究[D];西安建筑科技大學;2011年

6 朱白楊;二維矩形容器內帶Soret效應的Marangoni對流的格子Boltzmann模擬[D];華中科技大學;2011年

7 侯永發(fā);微尺度流動與傳熱特性分析及層板發(fā)汗單元溫度場的計算[D];國防科學技術大學;2011年

8 皮興才;格子Boltzmann方法及其在微流動中的應用研究[D];國防科學技術大學;2011年

9 楊紅兵;三圓柱繞流問題的格子Boltzmann方法研究[D];浙江師范大學;2011年

10 姚正平;基于格子Boltzmann方法的納米流體流動與能量傳遞機理研究[D];南京理工大學;2003年

，

本文編號：2078048