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高温质子交换膜燃料电池的模拟与优化
| 论文题名： | 高温质子交换膜燃料电池的模拟与优化 |
| 关键词： | 质子交换膜燃料电池;计算流体动力学;数学模型;气体扩散模型;发动机;多蛇形流场 |
| 摘要： | 高温质子交换膜(PEM：Proton Exchange Membrane)燃料电池除了具有传统质子交换膜燃料电池的诸如高能量效率、低噪声、启动快、零污染等优点外，还因其工作温度高，催化剂耐CO能力增强，燃料处理系统及外加湿系统相对简单，已成为燃料电池研究工作中的热点。 本文首先介绍了高温燃料电池计算机模拟中的基本数学模型，主要包括流体力学基本控制方程、电化学反应模型以及电池内部的气体扩散模型等理论知识。 描述了高温质子交换膜燃料电池发动机的组成及相关设备，对高温质子交换膜燃料电池发动机的设计参数进行了分析与理论计算，并以此为基础对高温质子交换膜燃料电池发动机的内部整体布局进行了方案设计。 建立了单流道单电池三维模型，运用计算机模拟的方法研究了高温质子交换膜燃料电池与低温质子交换膜燃料电池在相同的操作条件下所表现出来的不同性能，分析了高温质子交换膜燃料电池的特点：高温质子交换膜燃料电池中几乎不存在液态水，因此流道设计中可以不考虑排水的问题，而应该将气体分配的均匀性作为流道设计的重点；模拟了设计参数中气体扩散层厚度，运行参数中操作压力和加湿度对电池性能的影响：气体扩散层厚度的增加对电池性能存在利弊两个不同方面的影响，该参数在一定范围内存在一个最优值；运行参数中，电池性能随着操作压力和加湿度的增加都表现出提高的趋势，但操作压力和加湿度的增加会增加成本；由此得出结论：电池的设计参数及运行参数在提高电池性能和降低成本方面各有利弊，设计中应该综合考虑。 基于理论计算与分析并结合前述模拟计算的结果，建立了三种不同结构尺寸流道的单流道单电池模型，对燃料电池的流道结构及尺寸进行了优化设计。认为流道结构形式对电池性能具有重要影响，从不同结构形式流道的单电池模拟结果来看，流道截面形状为倒梯形时，电池性能要优于流道截面形状为矩形的情况；建立了不同流场形式的多流道单电池模型，分析比较了其性能，认为在相同的操作条件和相同的流场尺寸下，阴极流场采用平行直流场时，电池的性能明显好于采用多蛇形流场时的情况。综合考虑理论计算及模拟计算的结果，对于高温燃料电池而言，流场形式最好采用平行直流场。 |
| 作者： | 钱彩霞 |
| 专业： | 载运工具运用工程 |
| 导师： | 肖金生;陈壁峰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2010 |
| 正文语种： | 中文 |
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