本文關鍵詞：樹狀分形流場高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的設計與性能研究

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【摘要】：以氫能為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池具有無污染、高轉(zhuǎn)化率、適用性強等特點,在固定電源、移動設備和交通運輸方面得到廣泛應用,但低于80℃的工作溫度存在催化劑易毒化、水熱管理復雜等問題,阻礙了它的市場化。高溫質(zhì)子交換膜燃料電池將工作溫度提升到100℃-200℃,不但可以解決這些問題還可以提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率,但同時也對電池流場設計和材料特性等方面提出新的要求。樹狀分形結構是一種自然優(yōu)化的傳質(zhì)網(wǎng)絡結構,本文從高溫質(zhì)子交換膜燃料電池流場設計關注點變化出發(fā),設計了一種基于樹狀分形結構的流場,使得電池供氣充足均勻,改善反應氣體的輸運特性,提高電池整體性能。本文主要工作如下:(1)簡述了基于Murray定律的樹狀分形流場的設計思想,根據(jù)Murray定律和其推廣公式計算流場尺寸,設計出一種結合平行流場的新的樹狀分形流場結構。(2)建立了基于樹狀分形和傳統(tǒng)平行流場的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的三維穩(wěn)態(tài)單相模型,并用計算流體力學的數(shù)值計算方法對電池的極化曲線、速度場分布、氣體濃度分布、電流密度分布、壓降值及分布進行數(shù)值計算和對比分析。仿真結果表明在相同條件下設計的新型樹狀分形流場比傳統(tǒng)平行流場結構的最大輸出功率密度提高了23.9%,同時由氣體分布和壓降云圖可以直觀觀察到具有更均勻的氣體分布和壓降分布。(3)根據(jù)高溫下新的材料和實驗特性,設計組裝了基于樹狀分形流場的高溫質(zhì)子交換膜燃料單電池;搭建了測試平臺進行電池性能測試。電池性能的實驗測試結果和數(shù)值計算結果相近,極化曲線和功率密度曲線偏差很小,具有相同的整體趨勢,驗證了設計的樹狀分形流場優(yōu)良的傳質(zhì)輸運特性。燃料電池的流場結構決定著反應氣體的輸送和分布,對電池性能具有很大影響。本文設計的新的對稱樹狀分形流場結構,達到了減少流阻和均勻分布反應氣體的目的,提高了電池內(nèi)部反應氣體的輸運特性,提高了電池的整體性能,對高溫質(zhì)子交換膜燃料電池新的流場設計具有參考意義。
【關鍵詞】：高溫質(zhì)子交換膜燃料電池 樹狀分形流場 數(shù)值計算 性能測試
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-28
• 1.1 前言10-11
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池11-14
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理11-12
• 1.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的性能12-14
• 1.3 高溫質(zhì)子交換膜燃料電池14-20
• 1.3.1 發(fā)展高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的必要性14-15
• 1.3.2 高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點及挑戰(zhàn)15
• 1.3.3 高溫質(zhì)子交換膜的傳質(zhì)原理15-17
• 1.3.4 高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.4 燃料電池流場形式研究20-25
• 1.4.1 傳統(tǒng)流場的研究20-21
• 1.4.2 新型流場的研究21-24
• 1.4.3 高溫PEMFC的流場形狀探究24-25
• 1.5 研究內(nèi)容25-28
• 第2章 高溫PEMFC的樹狀分形流場設計28-34
• 2.1 MURRAY定律及推廣28-30
• 2.2 基于樹狀分形的高溫PEMFC流場設計30-33
• 2.3 本章小結33-34
• 第3章 高溫PEMFC的數(shù)學模型34-40
• 3.1 模型基本假設34
• 3.2 基本流體力學模型34-37
• 3.2.1 質(zhì)量守恒方程34-35
• 3.2.2 動量守恒方程35
• 3.2.3 組分守恒方程35-36
• 3.2.4 能量守恒方程36-37
• 3.3 電化學反應模型37-39
• 3.3.1 電荷守恒方程37
• 3.3.2 電化學方程37-38
• 3.3.3 反應物消耗和水的生成38-39
• 3.4 本章小結39-40
• 第4章 高溫PEMFC的數(shù)值計算與結果40-52
• 4.1 計算模型40-41
• 4.2 邊界條件41-42
• 4.3 電化學參數(shù)42-43
• 4.4 求解過程和方法43-44
• 4.5 數(shù)值計算結果及分析44-51
• 4.5.1 極化曲線44
• 4.5.2 反應氣體濃度分布44-47
• 4.5.3 電流密度分布47-49
• 4.5.4 壓降值及分布49-51
• 4.6 本章小結51-52
• 第5章 樹狀分形流場的高溫PEMFC實驗研究52-64
• 5.1 單電池制備與組裝52-57
• 5.1.1 單電池部件及材料52-55
• 5.1.2 單電池組裝55-57
• 5.2 高溫PEMFC測試系統(tǒng)平臺57-61
• 5.2.1 供氣系統(tǒng)57-59
• 5.2.2 性能測試系統(tǒng)59
• 5.2.3 熱管理系統(tǒng)59-61
• 5.3 單電池的測試61-63
• 5.3.1 實驗測試準備61
• 5.3.2 實驗結果及分析61-63
• 5.4 本章小結63-64
• 第6章 結論與展望64-66
• 6.1 結論64-65
• 6.2 展望65-66
• 參考文獻66-72
• 致謝72-74
• 攻讀學位期間參加的科研項目和成果74

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 孫紅;謝忱;王君堯;閆冬;肖健宇;;流道對ab-PBI膜高溫燃料電池陰極傳質(zhì)的影響[J];沈陽建筑大學學報(自然科學版);2016年02期

2 武f，

本文編號：834843