隨著環(huán)境污染、溫室效應與能源短缺的加劇,開發(fā)新型能源來替代傳統(tǒng)化石燃料已經迫在眉睫。燃料電池被認為是繼水電、火電和核電之后的第四種發(fā)電設施。并且日益受到各國政府和眾多跨國企業(yè)的密切關注。燃料電池流道具有傳輸反應氣體并保證反應氣體在流場內部均勻分配的作用。本文對燃料電池的流道進行建模、仿真與優(yōu)化。首先,闡述了燃料電池的結構組成、工作原理、基本分類及優(yōu)缺點。根據熱力學分析了質子交換膜燃料電池的理論輸出電壓,根據反應動力學討論了質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,并建立了數學模型,計算了質子交換膜燃料電池的實際輸出電壓。根據流體力學分析了質子交換膜燃料電池內部流體傳導時所遵循的規(guī)律,建立了流體力學模型。針對矩形流道,根據燃料電池流道的深度、寬度、岸寬等結構尺寸,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,研究了電池流道內壓力、反應物質濃度、溫度和水濃度等分布情況,結果表明,當流道深度取值為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,在具有較好強度性能的矩形流道內增設了若干凸臺以及設計傾斜流道,并建立了對應的幾何模型,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,對促進燃料電池研究和行業(yè)發(fā)展有一定的積極意義。
【學位單位】：華北水利水電大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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 國內外研究現狀
        1.3.1 質子交換膜燃料電池的國內外研究現狀
        1.3.2 質子交換膜燃料電池流場的國內外研究現狀
        1.3.3 質子交換膜燃料電池流道參數的國內外研究現狀
    1.4 本文主要研究內容
2 燃料電池數學模型建立
    2.1 燃料電池
        2.1.1 質子交換膜燃料電池的結構
        2.1.2 質子交換膜燃料電池的工作原理
    2.2 數學模型
        2.2.1 熱力學預測電壓
        2.2.2 活化損耗
        2.2.3 歐姆損耗
        2.2.4 濃度損耗
    2.3 流體力學模型
        2.3.1 質量守恒方程
        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
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
        3.1.3 計算假設條件
        3.1.4 仿真計算方案
    3.2 模擬計算結果及分析
    3.3 本章小結
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
        4.1.3 計算假設條件
        4.1.4 仿真計算方案
    4.2 模擬計算結果及分析
        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
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
        5.1.3 計算假設條件
        5.1.4 仿真計算方案
    5.2 模擬計算結果及分析
    5.3 本章小結
6 流道內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
        6.1.3 計算假設條件
        6.1.4 仿真計算方案
    6.2 模擬計算結果及分析
    6.3 本章小結
7 總結與展望
    7.1 本文總結
    7.2 展望
攻讀學位期間參加的科研項目及發(fā)表的學術論文
致謝
參考文獻

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本文編號：2858620