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《蛇形流場PEM燃料電池的實驗研究及數(shù)值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在學術論文-天天文庫。
1、ExperimentalstudyandnumericalsimulationofPEMfuelcellwithserpentineflowfield(NaturalScienceFoundationofJiangsuProvinceinChinaBK2009362)ADissertationSubmittedtoNanjingUniversityofTechnologyinpartialfulfillmentofrequirementforthedegreeofMasterofEngineeringSupervisors：By’X‘1’l‘a(chǎn)owei
2、‘Z’—’‘hangJune2012ProfessorJinzhuTan碩士學位論文摘要質子交換膜燃料電池(Protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)由于操作溫度低、效率高、無污染等優(yōu)點，在汽車動力源、可移動電源和固定電站等方面有廣泛應用前景。但就目前來看，燃料電池還存在技術難題。運行壽命及穩(wěn)定性不理想是造成燃料電池不能進入大規(guī)模商業(yè)化應用的原因之一。而外部操作條件不當會加速電池內(nèi)部關鍵材料的衰減過程，它的好壞直接影響到燃料電池的性能。同時燃料電池運行過程不能進行全面的測量和觀測，因此，通過實驗和數(shù)值模擬結合的方法來研究
3、燃料電池的操作條件，研究燃料電池內(nèi)部傳遞現(xiàn)象，進而對燃料電池流場結構進行優(yōu)化，以提高燃料電池性能，對保證PEMFC長期穩(wěn)定的運行有重要意義。本文采用實驗和數(shù)值模擬結合的方法，以三通道蛇形非對稱流場的PEMFC為研究對象，系統(tǒng)探討各操作參數(shù)對PEMFC性能的影響，并通過數(shù)值模擬對電池內(nèi)部傳遞過程進行研究，同時對陰極流道深度進行優(yōu)化模擬。本文的主要工作和結論如下：1．實驗研究了燃料電池運行溫度、氣體加濕溫度、空氣流量、氫氣流量以及燃料電池工作壓力等操作參數(shù)對PEMFC性能的影響。獲得了燃料電池性能隨不同操作參數(shù)的變化關系。實驗結果表明：電池溫度升高到343
4、K時，電池性能不斷提高，然而當電池溫度超過343K以后，電池性能急劇惡化，電池溫度保持在333K．343K時，電池性能最佳；氣體加濕溫度從323K增加到343K，電池性能顯著提高，當氣體加濕溫度超過343K時，即氣體加濕溫度超過電池工作溫度時，小電流密度區(qū)，電池性能變化不大，而在大電流密度區(qū)，電池性能反而下降。2．實驗結果表明，增加陰極空氣過量系數(shù)，電池性能得到改善，尤其電池的最大電流密度不斷增大；隨著工作壓力的提高，電池性能不斷提高，增加壓力會改善電池的性能，但是同時也會增加系統(tǒng)的能耗，因此燃料電池工作壓力控制在0．2MPa左右時，電池性能最佳。3．
5、采用計算流體力學(CFD)方法，基于燃料電池熱力學和電化學動力學理論，建立了包括電池陰陽極流場、擴散層、催化層以及質子交換膜在內(nèi)的完整的三維數(shù)學模型，計算模型全面考慮燃料電池內(nèi)的動量、質量、物質組分、電荷和溫度等幾乎所有物理量的傳遞現(xiàn)象，這為燃料燃料電池的數(shù)值模擬提供了理論基礎。4．基于所建立的數(shù)學模型，采用計算流體力學FLUENT軟件對PEMFC進行了數(shù)值模擬，獲得了在實驗基礎上得到的最佳操作參數(shù)下電池內(nèi)部的催化層上的氣體質量摘要分數(shù)分布和電流密度分布、質子交換膜中的水含量分布、流道下方進出口的壓力損失以及燃料電池的性能曲線。分別討論了小電流密度和大
6、電流密度條件下各參數(shù)的分布情況。結果表明，同小電流密度條件下放電相比，燃料電池在大電流密度條件下放電時，氧氣濃度均勻性變差，并且陽極氫氣的濃差極化不如陰極明顯。5．數(shù)值模擬結果表明，PEMFC在大電流密度下放電時，膜中間平面水含量的最大值與最小值的差異性較大；燃料電池在大電流密度條件下放電時，電流密度的均勻性變差，由于流道中存在彎角，局部電流密度出現(xiàn)激增：氣體的壓力沿著流道方向從進口到出口逐漸降低，陰極的壓力損失LLIjEt極壓力損失大。6．數(shù)值模擬得到的燃料電池性能結果與燃料電池電化學性能實驗結果進行比較，結果表明，數(shù)值模擬結果與實驗結果基本一致，驗
7、證了數(shù)值模擬的有效性。7．基于建立的數(shù)學模型，模擬分析了陰極流道深度對氧氣濃度分布、膜中水含量分布、流場壓力分布以及電池整體性能的影響情況。結果表明：隨著陰極流道深度的減小，催化層和擴散層交界面中線上的氧氣濃度逐漸增加，反應氣體濃度的增大有利于提高電池性能；隨著陰極流道深度的減小，膜中間界面中線上的水含量逐漸減小，陰極流道深度的減小對電池的排水性能有利；隨著陰極流道深度的減小，流道和擴散層交界面中線上的壓力損失逐漸增大。考慮電池的綜合性能，陰極流道尺寸存在一個最優(yōu)值。研究表明，在陽極流道深度值為0．6nli]l，陰極流道深度值在0．6．0．8mm時，燃
8、料電池的綜合性能相對最優(yōu)。關鍵詞：質子交換膜燃料電池操作條什數(shù)值模擬結構優(yōu)化碩士學位論文ABS
