以氫氣為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有冷啟動快、工作溫度低、零排放、高效率、高功率密度等特點,特別適合應(yīng)用于新能源汽車中而受到廣泛關(guān)注。燃料電池涉及多種復(fù)雜的組分傳輸和電化學(xué)反應(yīng),這些反應(yīng)彼此耦合并且以不同的空間和時間尺度發(fā)生,由于電池尺寸太小,電池中反應(yīng)物的局部分布和傳輸很難測量,數(shù)值模擬和仿真技術(shù)恰好能夠彌補這些不足,能夠幫助更好地理解電池中發(fā)生的物理化學(xué)現(xiàn)象,并為優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)提供有用的工具。本文以PEM燃料電池在汽車上的應(yīng)用為研究目標(biāo),對車用PEM燃料電池建模與仿真進行了較為詳細的研究。首先,建立具有三維特性,考慮電池內(nèi)氣液兩相流影響,非等溫單直流道PEMFC模型,利用FLUENT求解器求解電池所有的控制方程,詳細的研究分析了電池工作參數(shù)(電池工作溫度,具有非對稱陽極進氣濕度,陰陽極工作壓力)對車用PEM燃料電池穩(wěn)態(tài)性能(傳質(zhì),傳電,膜內(nèi)水輸運)的影響機制,結(jié)果表明電池工作溫度、進氣溫度與相對濕度(RH)密切相關(guān),均對電池性能有較大影響,電池性能隨著陽極相對濕度(RHa)的升高而顯著增強,尤其表現(xiàn)在中高電流密度下;而陰極相對濕度(RHc)對性能的提升在低電流區(qū)域比...

【文章頁數(shù)】：93 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題背景
    1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池概述
        1.2.1 PEMFC原理及結(jié)構(gòu)部件
        1.2.2 PEMFC輸出性能表征
    1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池研究現(xiàn)狀及分析
        1.3.1 PEMFC數(shù)值模擬與仿真研究現(xiàn)狀
        1.3.2 工作狀態(tài)因素對電池性能影響的研究
    1.4 本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)
第二章 PEM燃料電池單體數(shù)學(xué)模型
    2.1 PEM燃料電池數(shù)學(xué)模型描述及假設(shè)
    2.2 PEM燃料電池基本控制方程及源項
        2.2.1 質(zhì)量守恒控制方程
        2.2.2 動量守恒控制方程
        2.2.3 能量守恒控制方程
        2.2.4 組分守恒控制方程
        2.2.5 電荷守恒控制方程
    2.3 電化學(xué)反應(yīng)模型
    2.4 膜電極水傳輸模型
    2.5 PEM燃料電池物性參數(shù)
    2.6 模型邊界條件及反應(yīng)物料屬性
        2.6.1 模型邊界條件
        2.6.2 反應(yīng)物料屬性
    2.7 本章小結(jié)
第三章 工作參數(shù)對PEMFC穩(wěn)態(tài)性能的影響及評估
    3.1 PEMFC三維仿真模型準(zhǔn)備及驗證
        3.1.1 PEMFC幾何建模及網(wǎng)格劃分
        3.1.2 數(shù)值方法與過程
        3.1.3 模型驗證
    3.2 工作參數(shù)對PEMFC穩(wěn)態(tài)性能的影響分析
        3.2.1 陽極工作壓力對PEMFC性能的影響
        3.2.2 陰極工作壓力對PEMFC性能的影響
        3.2.3 相對濕度和工作溫度對PEMFC性能的影響
    3.3 基于輸出性能的工作參數(shù)敏感性評估
    3.4 本章小結(jié)
第四章 PEM燃料電池堆棧動態(tài)建模及熱力學(xué)分析
    4.1 水冷型PEM燃料電池堆棧數(shù)學(xué)模型
        4.1.1 陰、陽極流道模型
        4.1.2 電池體模型
        4.1.3 電化學(xué)模型
    4.2 模型假設(shè)
    4.3 Simulink模型搭建及驗證
    4.4 水冷PEM燃料電池堆棧的啟動-變載動態(tài)響應(yīng)分析
        4.4.1 啟動-變載過程電壓及功率動態(tài)響應(yīng)
        4.4.2 啟動-變載過程的溫度動態(tài)響應(yīng)
        4.4.3 啟動-變載過程的過電勢動態(tài)響應(yīng)
        4.4.4 啟動-變載過程中陰陽極流道反應(yīng)氣體動態(tài)響應(yīng)
    4.5 PEM燃料電池?zé)崃W(xué)分析
        4.5.1 PEM燃料電池能量數(shù)學(xué)模型
        4.5.2 能量分析與討論
    4.6 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文及參與科研項目情況



本文編號：3816067