本文關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池多物理場(chǎng)數(shù)值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：質(zhì)子交換膜燃料電池具備的能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn),這一新型能源已經(jīng)被認(rèn)為是未來(lái)社會(huì)不可缺少的資源之一。質(zhì)子交換膜燃料電池獨(dú)有的結(jié)構(gòu)特性和大量的熱能釋放可作為發(fā)電廠(chǎng)和熱電廠(chǎng)能量,這使其成為人們研究的必然熱點(diǎn)。為了解決燃料電池在伴隨電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量等問(wèn)題,本文在電池?zé)峁芾矸矫孢M(jìn)行深入的研究。首要的是分析出熱能的產(chǎn)生和燃料電池內(nèi)部溫度的影響因素。溫度是質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硌芯康闹匾獏?shù),過(guò)低的溫度會(huì)導(dǎo)致電池的性能下降,而高溫則會(huì)影響燃料電池膜失水而破壞電池結(jié)構(gòu),電池也將無(wú)法正常運(yùn)行。本文采用軟件COMSOL Multiphysics對(duì)燃料電池進(jìn)行模擬,建立二維、三維管理系統(tǒng)及傳熱元件傳熱計(jì)算模塊,分別對(duì)數(shù)學(xué)和物理模型進(jìn)行描述,通過(guò)質(zhì)子交換膜燃料電池氣-液-固耦合傳熱機(jī)理,涉及到的流動(dòng)、傳熱與化學(xué)反應(yīng)工程仿真,結(jié)合質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、組分守恒方程,揭示燃料電池內(nèi)溫度場(chǎng)分布形態(tài)的本質(zhì)特性、空冷型電池的溫度變化和冷卻液冷卻燃料電池內(nèi)部冷卻通道流動(dòng)狀態(tài)及與溫度的影響因素。PEMFC研究的具體結(jié)果如下:(1)在二維質(zhì)子交換膜模型進(jìn)行溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究,分析溫度變化的有關(guān)參數(shù),從而提高質(zhì)子交換膜燃料電池使用效率。由于燃料電池的氫離子透過(guò)膜到達(dá)陰極與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng),這時(shí)就會(huì)有大量的熱量產(chǎn)生,這樣就使得陰極處的溫度要高于陽(yáng)極處的溫度。同時(shí)改變工作電壓、電池孔隙率、交換電流密度參數(shù)的范圍,均能有效的提高質(zhì)子交換膜燃料電池的工作性能,使得質(zhì)子交換膜燃料電池高效利用。(2)空冷型冷卻的方式對(duì)維持電池的溫度有顯著的作用。在自然冷卻時(shí),建立三維數(shù)值模擬模型,通過(guò)控制因素的變化使電池保持在最佳工作溫度范圍內(nèi)。而自然冷卻的溫度控制、電池外部傳熱的能力都具有良好的動(dòng)態(tài)特性,有效地解決了自然冷卻PEMFC電池的溫度控制問(wèn)題。在利用強(qiáng)制對(duì)流冷卻時(shí),采取電、化、熱能耦合,控制風(fēng)速、風(fēng)溫的變化對(duì)燃料電池內(nèi)部的溫度有著不同的作用結(jié)果。合理的改變參數(shù)值,使得電池在最佳的工作溫度范圍內(nèi),達(dá)到高效運(yùn)行的目的。(3)本文首次采用多物理場(chǎng)軟件建立微小型質(zhì)子交換膜燃料電池的物理、數(shù)學(xué)模型耦合,分析出了質(zhì)子交換膜燃料電池冷卻液散熱時(shí)冷卻液溫度、流速、流動(dòng)方向?qū)﹄姵販囟鹊奶匦杂绊憽＝⑽⑿⊥ǖ滥＠鋮s水的流動(dòng)過(guò)程,對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真,采取有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬,得出質(zhì)子交換膜燃料電池的熱模擬和熱管理對(duì)電池的性能優(yōu)化和耐久性的提高具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子交換膜燃料電池 熱管理 數(shù)值模擬 多物理場(chǎng)耦合 溫度控制
【學(xué)位授予單位】：吉林建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-23
• 1.1 引言12-14
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池研究意義14-15
• 1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾淼难芯楷F(xiàn)狀與待解決的問(wèn)題15-20
• 1.3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理的研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾泶鉀Q的問(wèn)題18-20
• 1.4 本文主要內(nèi)容、研究方法及創(chuàng)新點(diǎn)20-22
• 1.4.1 本文研究與開(kāi)發(fā)的課題內(nèi)容20-21
• 1.4.2 研究方法21
• 1.4.3 創(chuàng)新點(diǎn)21-22
• 1.5 本章小結(jié)22-23
• 第2章 質(zhì)子交換膜燃料電池基本原理23-35
• 2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理23-25
• 2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池特點(diǎn)25-27
• 2.3 質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率27-31
• 2.4 質(zhì)子交換膜燃料電池極化曲線(xiàn)分析31-34
• 2.5 本章小結(jié)34-35
• 第3章 質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型及計(jì)算35-41
• 3.1 模型假設(shè)35
• 3.2 模型假設(shè)電極的數(shù)學(xué)模型描述35-36
• 3.3 流體通道的數(shù)學(xué)模型36-40
• 3.4 本章小結(jié)40-41
• 第4章 質(zhì)子交換膜燃料電池物理模型41-53
• 4.1 模型幾何參數(shù)41-44
• 4.1.1 PEMFC溫度場(chǎng)模型42
• 4.1.2 微型PEMFC空冷型模型42-43
• 4.1.3 微型PEMFC冷卻液模型43-44
• 4.2 模型邊界條件44-48
• 4.3 燃料的物性參數(shù)48-52
• 4.3.1 PEMFC溫度場(chǎng)48-50
• 4.3.2 空冷型PEMFC溫度場(chǎng)50-51
• 4.3.3 冷卻液型PEMFC溫度場(chǎng)51-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 第5章 質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)?shù)值模擬分析53-74
• 5.1 軟件COMSOL Multiphysics53-56
• 5.1.1 基于物理場(chǎng)和方程的模擬接口53-54
• 5.1.2 模型耦合54
• 5.1.3 網(wǎng)格剖分54-55
• 5.1.4 幾何建模55
• 5.1.5 數(shù)值方法55-56
• 5.2 質(zhì)子交換膜燃料電池溫度場(chǎng)模擬56-61
• 5.2.1 工作溫度對(duì)PEMFC溫度的影響57-58
• 5.2.2 氣體擴(kuò)散層空隙對(duì)PEMFC溫度的影響58-60
• 5.2.3 交換電流密度對(duì)PEMFC溫度的影響60-61
• 5.3 空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池模擬分析61-68
• 5.3.1 自然對(duì)流冷卻61-64
• 5.3.2 強(qiáng)制對(duì)流冷卻64-68
• 5.4 水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池模擬分析68-73
• 5.4.1 冷卻水流速的改變69-70
• 5.4.2 冷卻水溫度的改變70-72
• 5.4.3 冷卻水方向的改變72-73
• 5.5 本章小結(jié)73-74
• 結(jié)論74-76
• 參考文獻(xiàn)76-82
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文82-83
• 致謝83-85

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 ;直接使用甲烷的新燃料電池[J];現(xiàn)代化工;2000年01期

2 ;燃料電池[J];化學(xué)工程師;2000年02期

3 徐德新,諸亦新;燃料電池的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J];江蘇冶金;2000年02期

4 ;新型能源燃料電池[J];精細(xì)化工基地信息通訊;2000年06期

5 秦衛(wèi);;燃料電池的現(xiàn)狀[J];輕型汽車(chē)技術(shù);2000年06期

6 余亮;;燃料電池儲(chǔ)氫新技術(shù)[J];輕型汽車(chē)技術(shù);2000年Z1期

7 豐洋;天然氣膜法脫氮用于燃料電池[J];石油與天然氣化工;2001年02期

8 ;我研發(fā)出國(guó)際先進(jìn)水平燃料電池[J];稀有金屬;2001年04期

9 ;形形色色的鋰電池和燃料電池[J];福建輕紡;2001年06期

10 劉四華;國(guó)外燃料電池的開(kāi)發(fā)與研究[J];化學(xué)工程師;2001年03期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 ;科學(xué)家為燃料電池開(kāi)發(fā)新催化劑[A];節(jié)能減排論壇——福建省科協(xié)第八屆學(xué)術(shù)年會(huì)衛(wèi)星會(huì)議論文專(zhuān)刊[C];2008年

2 郭曉汾;張毅;;燃料電池車(chē)輛及其新進(jìn)展[A];河南省汽車(chē)工程學(xué)會(huì)第二屆科研學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2005年

3 許谷;;燃料電池——改變未來(lái)世界的新科技——燃料電池系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的研究[A];材料科學(xué)與工程技術(shù)——中國(guó)科協(xié)第三屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1998年

4 宋二虎;;電動(dòng)自行車(chē)用燃料電池的產(chǎn)業(yè)化之路[A];電動(dòng)車(chē)及新型電池學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2003年

5 于澤庭;韓吉田;;燃料電池在家庭中的應(yīng)用[A];山東省第五屆制冷空調(diào)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2004年

6 陸天虹;張玲玲;唐亞文;高穎;;各種燃料電池在產(chǎn)業(yè)化概況[A];2006中國(guó)動(dòng)力電池高層論壇論文集[C];2006年

7 宮振華;張存滿(mǎn);肖方f

本文編號(hào)：313290