隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)與能源短缺的加劇,開發(fā)新型能源來替代傳統(tǒng)化石燃料已經(jīng)迫在眉睫。燃料電池被認(rèn)為是繼水電、火電和核電之后的第四種發(fā)電設(shè)施。并且日益受到各國政府和眾多跨國企業(yè)的密切關(guān)注。燃料電池流道具有傳輸反應(yīng)氣體并保證反應(yīng)氣體在流場內(nèi)部均勻分配的作用。本文對燃料電池的流道進(jìn)行建模、仿真與優(yōu)化。首先,闡述了燃料電池的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、基本分類及優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)熱力學(xué)分析了質(zhì)子交換膜燃料電池的理論輸出電壓,根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)討論了質(zhì)子交換膜燃料電池工作過程中的活化損耗、歐姆損耗和濃度損耗等,并建立了數(shù)學(xué)模型,計算了質(zhì)子交換膜燃料電池的實(shí)際輸出電壓。根據(jù)流體力學(xué)分析了質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部流體傳導(dǎo)時所遵循的規(guī)律,建立了流體力學(xué)模型。針對矩形流道,根據(jù)燃料電池流道的深度、寬度、岸寬等結(jié)構(gòu)尺寸,分別建立了不同流道尺寸的燃料電池幾何模型;并使用Fluent仿真計算了燃料電池的工作過程,研究了電池流道內(nèi)壓力、反應(yīng)物質(zhì)濃度、溫度和水濃度等分布情況,結(jié)果表明,當(dāng)流道深度取值為0.4mm,流道寬和岸寬取值為0.7mm時(單流道模塊寬度為2.1mm),燃料電池工作性能較好。研究了半圓形、三角形、梯形、矩形、倒梯形截面形狀對燃料電池性能的影響,結(jié)果表明:三角形截面流道的燃料電池性能較優(yōu),倒梯形截面流道的排水性和散熱性較優(yōu)�；谧顑�(yōu)截面尺寸參數(shù),在具有較好強(qiáng)度性能的矩形流道內(nèi)增設(shè)了若干凸臺以及設(shè)計傾斜流道,并建立了對應(yīng)的幾何模型,研究了流道凸臺和傾斜流道對燃料電池工作性能的影響。結(jié)果表明,加入凸臺或使用傾斜流道可以提升燃料電池的性能。本文通過仿真模擬研究了流道的截面尺寸、截面形狀、流道凸臺等對電池工作性能的影響,對促進(jìn)燃料電池研究和行業(yè)發(fā)展有一定的積極意義。
【學(xué)位單位】：華北水利水電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM911.4
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 研究意義
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池流場的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.3 質(zhì)子交換膜燃料電池流道參數(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
2 燃料電池數(shù)學(xué)模型建立
    2.1 燃料電池
        2.1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)
        2.1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理
    2.2 數(shù)學(xué)模型
        2.2.1 熱力學(xué)預(yù)測電壓
        2.2.2 活化損耗
        2.2.3 歐姆損耗
        2.2.4 濃度損耗
    2.3 流體力學(xué)模型
        2.3.1 質(zhì)量守恒方程
        2.3.2 動量守恒方程
        2.3.3 能量守恒方程
        2.3.4 組分守恒方程
    2.4 本章小結(jié)
3 流道深度對燃料電池性能的影響
    3.1 仿真模型建立
        3.1.1 幾何模型建立
        3.1.2 邊界條件和參數(shù)
        3.1.3 計算假設(shè)條件
        3.1.4 仿真計算方案
    3.2 模擬計算結(jié)果及分析
    3.3 本章小結(jié)
4 流道岸寬比對燃料電池性能的影響
    4.1 仿真模型建立
        4.1.1 幾何模型建立
        4.1.2 邊界條件和參數(shù)
        4.1.3 計算假設(shè)條件
        4.1.4 仿真計算方案
    4.2 模擬計算結(jié)果及分析
        4.2.1 岸寬固定
        4.2.2 流道寬固定
        4.2.3 流道寬岸寬同時改變
    4.3 本章小結(jié)
5 流道截面形狀對燃料電池性能的影響
    5.1 仿真模型建立
        5.1.1 幾何模型建立
        5.1.2 邊界條件和參數(shù)
        5.1.3 計算假設(shè)條件
        5.1.4 仿真計算方案
    5.2 模擬計算結(jié)果及分析
    5.3 本章小結(jié)
6 流道內(nèi)部形狀對燃料電池性能的影響
    6.1 仿真模型建立
        6.1.1 幾何模型建立
        6.1.2 邊界條件和參數(shù)
        6.1.3 計算假設(shè)條件
        6.1.4 仿真計算方案
    6.2 模擬計算結(jié)果及分析
    6.3 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 本文總結(jié)
    7.2 展望
攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝
參考文獻(xiàn)

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本文編號：2858620