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质子交换膜燃料电池性能模拟及流场优化

作　者: 赵胜男
导　师: 孙红
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 质子交换膜燃料电池电极结构数学模型
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是目前已存在燃料电池中受到最多关注的能量转化装置。是继火电、水电等传统发电装置后,最具竞争力的发电系统,以发电效率高、环境友好、安静及低温运行等不可比拟的优势,逐渐走进电力市场。但是,在发展过程中遇到了诸如制作成本、氢燃料存储、电池工作温度受限等不足,都将阻碍质子交换膜燃料电池的发展。本文简要介绍了质子交换膜燃料电池的发展和应用等情况,阐述了整个燃料电池测试平台的工作原理与方法,包括计算机控制系统和测试系统的组成等,并且介绍了质子交换膜燃料电池中水和热的管理问题。本文核心部分利用实验和模拟的方法,研究了质子交换膜燃料电池的性能。从电池温度、气体加湿温度、催化剂、压力等不同因素对电池性能的影响做了深入分析。实验部分采用燃料电池测试系统,针对质子交换膜燃料电池电极结构中的流道深度做了细致分化,设计并研究了四种不同深度的流道结构对电池性能的影响,同时采用了相应的阻抗分析模型,从交流阻抗角度分析了电池性能变化的原因,并且获得了电极结构变化与电池内水含量的关系。实验结果表明流道深度从2mm到0.9mm渐变(即入口深度为2mm,出口深度0.9mm)的电池性能明显优于其他深度的电池性能,且此种流道结构对电池内水含量管理较好。模拟部分,在原有半经验模型的基础上,加入了质子交换膜内水含量和阴极反应气体平均浓度两个因素,对原有的半经验模型进行优化改进。在建立模型时,采用了分段思想并且与数学方法相结合,经过大量的计算与反复验证,获得了高精确率的数学模型,并获得了新的操作参数与电池性能之间的量化关系。研究发现质子交换膜燃料电池性能的模拟曲线和实验曲线吻合得很好；当电池温度低于加湿温度时,性能曲线中高电流密度段随着电池温度和气体加湿温度差的减小,性能曲线下降幅度降低；当电池温度等于或高于加湿温度时,性能曲线的直线段的斜率随电池温度和加湿温度差的增大而增大；燃料电池性能随反应气体压力的增大而提高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目次  7-11
第一章绪论  11-25
  1.1 燃料电池简介  11-12
  1.2 PEM燃料电池  12-17
    1.2.1 PEM燃料电池的发展历史及现状  12-13
    1.2.2 PEM燃料电池的工作原理和关键部件  13-16
    1.2.3 PEM燃料电池的应用  16-17
  1.3 PEM燃料电池的理论计算  17-22
    1.3.1 PEM燃料电池的热力学性质  17-18
    1.3.2 PEM燃料电池动力学  18-21
    1.3.3 操作参数对电池性能的影响  21-22
  1.4 PEM燃料电池的水和热管理  22-25
第二章实验系统  25-39
  2.1 燃料电池实验装置简介  25-34
  2.2 燃料电池性能测试方法  34-37
    2.2.1 PEM燃料电池性能及交流阻抗测试步骤  34-36
    2.2.2 实验数据处理及结果分析  36-37
  2.3 本章小结  37-39
第三章电极结构对PEM燃料电池性能影响实验  39-57
  3.1 PEM燃料电池电极结构研究现状  39-40
  3.2 实验设计  40-43
    3.2.1 实验目的及步骤  40-41
    3.2.2 实验方案  41-43
  3.3 实验结果分析  43-55
    3.3.1 不同深度流道对电池性能的影响  43-46
    3.3.2 不同电极结构下电池的交流阻抗  46-48
    3.3.3 等效电路及操作参数的比较  48-53
    3.3.4 电池C动态曲线研究及在氧气环境下的性能曲线分析  53-55
  3.4 本章小结  55-57
第四章 PEM燃料电池的性能曲线模拟  57-71
  4.1 PEM燃料电池的性能曲线模拟的研究现状  57-58
  4.2 模型介绍  58-66
    4.2.1 开路电压方程式  59-60
    4.2.2 电池活化极化  60-61
    4.2.3 电池欧姆极化  61-64
    4.2.4 电池浓差极化  64-66
    4.2.5 模型总方程式  66
  4.3 模型有效性的验证  66-67
  4.4 模拟结果分析  67-69
  4.5 本章小结  69-71
第五章结论  71-73
  5.1 结论  71
  5.2 展望  71-73
参考文献  73-77
作者简介  77
作者在攻读硕士学位期间的学术成果  77-79
致谢  79

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