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质子交换膜燃料电池水管理建模与仿真研究
| 论文题名： | 质子交换膜燃料电池水管理建模与仿真研究 |
| 关键词： | 汽车质子交换膜燃料电池;水管理;物理化学特性;建模仿真 |
| 摘要： | 随着全球人口的快速增长以及人均消费需求的日益增加，人类能源需求呈爆发式增涨，但不可再生能源可开发数量逐年减少，将难以维持人民日益增长的能源的需求。燃料电池是名符其实地，将化学能转化为电能的转换装置，而车用质子交换膜燃料电池的应用和推广，对改善交通能源结构和治理空气污染有重大意义。 水管理问题是影响质子交换膜燃料电池，性能和寿命的关键问题。对于车用燃料电池而言，产生水管理问题的主要原因，就是采用了以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜。这种膜只有在充分湿润的条件下才能有较好的质子传导率。一旦膜失水变干，质子无法有效的迁移，就会造成膜电阻增大，欧姆损失增加。同时，其工作温度一般不超过100℃，生成的液态水无法快速排出，就会造成水淹现象，增加电池的活化损耗和浓差损耗，也会导致局部阳极缺气和碳腐蚀，对耐久性造成影响。 本文旨在基于质子交换膜燃料电池的物理化学特性，结合热力学、电化学、电荷传输、质量传输和热传输，基于MATLAB/Simulink建立燃料电池水管理系统模型，主要包括：质量传输模型、热传输模型、水传输模型、流道模型、输出电压模型、质子交换膜模型、扩散层模型及催化层模型。本文着重研究燃料电池的水管理模型，探究水在膜电极中的生成及传递对燃料电池的影响，因此本文在对膜电极进行建模时，采用了联合扩散模型与液压模型的方法，并将联合模型与膜的含水量经验公式相结合的方法对质子交换膜进行了建模；将严格两相流模型添加进多孔介质模型，建立了气体扩散层模型；选用了界面模型并用法拉第准则来平衡膜和扩散媒介间的质量，建立催化剂层模型。 针对大电流负载条件下、恒定负载及交变负载三种工况，对质子交换膜燃料电池水管理模型进行了仿真分析，主要包括：燃料电池电压、阳极流道中积聚的液态水质量、催化层中的氢和氧浓度、阳极和阴极流道中的相对湿度、阳极和阴极侧气体扩散层和催化层中液态水的饱和度，质子交换膜中含水量。 结果表明，本文针对质子交换膜燃料电池水管理所建立的模型，经过模型调整与实验验证，能够在大电流负载工况及带尾气吹扫的恒定负载工况及交变负载工况下，对燃料电池的输出电压及水在燃料电池各个部件的位置的含量进行仿真。本模型对联合模型理论与膜的含水量经验公式相结合的方法及将严格两相流模型添加进多孔介质模型的方法，应用在燃料电池水管理系统模型内的开发具备一定的理论参考价值和工程应用价值，对燃料电池汽车在今后的应用和推广也具有积极意义。 |
| 作者： | 于佳鑫 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 曲大为 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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