質(zhì)子交換膜燃料電池因其具有高效率、低溫度和零污染的特性而被研究學者廣泛關(guān)注,成為未來清潔能源的重要利用裝置。關(guān)于如何獲得高性能的質(zhì)子交換膜燃料電池已經(jīng)成為本研究領(lǐng)域的熱點和難點問題。作為燃料電池電化學反應的唯一產(chǎn)物,良好的水管理能力對燃料電池性能具有非常重要的作用。本文在綜合前人研究的基礎上,對水管理模擬研究過程中進氣氣體相對濕度的控制方法進行對比模擬研究,具體分析了三種控制方法下電池性能的輸出能力,并在此基礎上對提出的新型流場結(jié)構(gòu)進行建模分析,根據(jù)其水管理能力和具體的電池性能進行分析改進。首先利用ANSYS軟件CFD模塊建立質(zhì)子交換膜燃料電池計算模型,對模擬過程中進氣氣體相對濕度的不同控制方法進行模擬分析,研究不同控制方法對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響因素。研究發(fā)現(xiàn),不論是在溫度變量、濕度變量還是壓力變量,定比例調(diào)節(jié)方法相較于定氧調(diào)節(jié)法和定氮調(diào)節(jié)法能夠更為準確的反應電池的真實工況。其次建立一種新型陰極變截面流場結(jié)構(gòu)計算模型,與傳統(tǒng)直流場結(jié)構(gòu)模型以及陰極斜流場結(jié)構(gòu)模型分析對比,模擬研究計算模型的電池輸出性能;本文發(fā)現(xiàn)高濕度條件下陰極變截面流場結(jié)構(gòu)在0.6 V時取得最大功率密度1.386... 

【文章來源】：北京化工大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：99 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
學位論文數(shù)據(jù)集
摘要
ABSTRACT
1 緒論
    1.1 引言
    1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池
        1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理及其構(gòu)成
        1.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理
    1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池水管理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 分析模型與半經(jīng)驗模型
        1.3.2 機理建模
            1.3.2.1 一維模型
            1.3.2.2 二維模型
            1.3.2.3 三維模型
    1.4 流場結(jié)構(gòu)設計研究及其現(xiàn)狀
        1.4.1 蛇形流場
        1.4.2 平行流道
        1.4.3 多路蛇行流道
        1.4.4 非連續(xù)型流道
        1.4.5 交指型流道
    1.5 本文主要研究內(nèi)容
2 質(zhì)子交換膜燃料電池數(shù)學模型
    2.1 燃料電池的基本方程
        2.1.1 質(zhì)量守恒方程
        2.1.2 動量守恒方程
        2.1.3 能量守恒方程
        2.1.4 組分守恒方程
    2.2 電化學方程
        2.2.1 電流守恒方程
        2.2.2 Butler-Volmer方程
        2.2.3 開路電壓控制方程
    2.3 水的變遷模型
        2.3.1 液體水的輸送控制方程
        2.3.2 水的傳遞模型
            2.3.2.1 電遷移
            2.3.2.2 壓力遷移
            2.3.2.3 濃差擴散
3 模型建立及控制方法探究
    3.1 計算模型
        3.1.1 幾何模型
        3.1.2 模型假設
        3.1.3 網(wǎng)格劃分
        3.1.4 邊界條件
        3.1.5 計算參數(shù)
    3.2 控制方法探究
        3.2.1 不同控制方法模擬不同溫度下的傳統(tǒng)直流道性能
        3.2.2 不同控制方法模擬不同相對濕度下的傳統(tǒng)直流道性能
        3.2.3 不同控制方法模擬不同進氣壓力下的傳統(tǒng)直流道性能
    3.3 本章小結(jié)
4 流場結(jié)構(gòu)設計及其性能研究
    4.1 計算模型
        4.1.1 流場結(jié)構(gòu)幾何模型及網(wǎng)格劃分
        4.1.2 邊界條件及計算參數(shù)
    4.2 結(jié)果與分析
        4.2.1 高濕度條件下性能研究
            4.2.1.1 極化曲線與功率密度曲線
            4.2.1.2 水管理能力
        4.2.2 低濕度條件下性能研究
            4.2.2.1 極化曲線與功率密度曲線
            4.2.2.2 水管理能力
    4.3 本章小結(jié)
5 新型流場結(jié)構(gòu)及其水管理
    5.1 計算模型
        5.1.1 幾何模型
        5.1.2 模型假設及網(wǎng)格劃分
        5.1.3 邊界條件及計算參數(shù)
    5.2 結(jié)果與分析
        5.2.1 高濕度條件下性能研究
            5.2.1.1 極化曲線與功率密度曲線
            5.2.1.2 水管理能力
        5.2.2 低濕度條件下性能研究
            5.2.2.1 極化曲線與功率密度曲線
            5.2.2.2 水管理能力
    5.3 本章小結(jié)
6 總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
參考文獻
致謝
作者攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及科研成果目錄
作者和導師簡介
附件



本文編號：3170962