本文關(guān)鍵詞：基于樹狀分形流場的質(zhì)子交換膜燃料電池性能分析

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【摘要】：隨著大眾對環(huán)境的重視,新型低污染能源逐步替代了傳統(tǒng)能源并快速發(fā)展起來,質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種高效、環(huán)境友好型能源被廣泛應用于潛艇動力、便攜設(shè)備能源及汽車燃料等。流場板是構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池的重要部分之一,主要起著傳遞反應氣體,排出生成物的作用。其中流場的幾何形狀設(shè)計是制備流場板的關(guān)鍵因素之一,合理的流場設(shè)計可以部分提升質(zhì)子交換膜燃料電池性能。為改善典型流場性能,本文將仿生學原理及樹狀分形理論引入流場設(shè)計中,建立基于樹狀分形的流場幾何形狀,希望能改善典型流場的傳質(zhì)特性,增大質(zhì)子交換膜的利用率,減低質(zhì)子交換膜燃料電池運行時的外部能量損失。本文的主要工作如下:1、建立基于樹狀分形的對稱及不對稱交指型流場質(zhì)子交換膜燃料電池模型,在相同的操作條件下,與典型的交指型流場作比較。通過分析三種交指型流場的極化曲線、氫氣分布、電流密度分布及質(zhì)子交換膜上的水熱分布,得出基于樹狀分形的不對稱交指型流場性能優(yōu)于其余兩種流場。將不對稱的幾何設(shè)計引入基于樹狀分形的平行流場設(shè)計中,并在相同的操作條件下模擬兩種平行流場的性能,可知不對稱的幾何設(shè)計對于改善基于樹狀分形的平行流場性能的作用并不明顯。2、改變質(zhì)子交換膜燃料電池的操作條件,考察其工作性能。主要以基于樹狀分形不對稱流場質(zhì)子交換膜燃料電池為例,通過改變其加濕條件、擺放位置及通入陰極氧化劑類型和入口質(zhì)量流量來分析質(zhì)子交換膜燃料電池極化曲線及傳質(zhì)特性的變化,得出適當?shù)墓ぷ鞑僮鳁l件。3、通過制備基于樹狀分形的不對稱交指型流場質(zhì)子交換膜燃料電池來測試及檢驗其基本性能,并與模擬所得結(jié)果做比較,得出在誤差允許的范圍內(nèi),實驗數(shù)據(jù)與模擬極化曲線一致,驗證了模擬計算的合理性。本文針對基于樹狀分形流場進行了設(shè)計及分析,得出其傳質(zhì)特點和較合理工作條件,并通過實驗驗證,證明其結(jié)果的合理性,為新型質(zhì)子交換膜燃料電池流場的設(shè)計及制備提供了一定的指導意義。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子交換膜燃料電池 流場設(shè)計 模擬分析 實驗驗證
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池原理11-14
• 1.2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極12-13
• 1.2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板13-14
• 1.3 質(zhì)子交換膜燃料電池的特點14-15
• 1.4 質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.4.1 典型雙極板流場的研究15-16
• 1.4.2 新型雙極板流場的研究16-19
• 1.4.3 質(zhì)子交換膜燃料電池模型及實驗研究19-20
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容20-21
• 1.5.1 基于樹狀分形流場的幾何模型及質(zhì)子交換膜燃料電池的數(shù)學模型20
• 1.5.2 基于樹狀分形不對稱流場性能研究20-21
• 1.5.3 操作條件不同對質(zhì)子交換膜燃料電池性能的影響21
• 1.5.4 實驗驗證操作條件對電池性能的影響21
• 1.6 本章小節(jié)21-22
• 第2章 基于樹狀分形的交指型與平行流場的設(shè)計22-26
• 2.1 樹狀分形理論及應用22-24
• 2.2 基于樹狀分形的交指型流場設(shè)計24-25
• 2.3 基于樹狀分形的平行流場設(shè)計25
• 2.4 本章小節(jié)25-26
• 第3章 基于樹狀分形流場的PEMFC數(shù)學模型26-32
• 3.1 數(shù)學模型的基本假設(shè)26-27
• 3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池電化學性能方程27-29
• 3.2.1 法拉第定律27
• 3.2.2 Gibbs自由能27-28
• 3.2.3 極化作用28-29
• 3.3 PEMFC守恒方程29-30
• 3.3.1 質(zhì)量守恒定律29
• 3.3.2 動量守恒方程29-30
• 3.3.3 能量守恒方程30
• 3.4 質(zhì)子交換膜燃料電池水傳輸數(shù)學模型30-31
• 3.5 本章小結(jié)31-32
• 第4章 樹狀分形不對稱流場的性能研究32-48
• 4.1 計算模型32-33
• 4.2 模型邊界條件及求解33-34
• 4.2.1 模型邊界條件33
• 4.2.2 模型求解33-34
• 4.3 基本模型參數(shù)及工作參數(shù)34-35
• 4.4 基于樹狀分形的不對稱交指型流場性能35-41
• 4.4.1 三種交指型流場極化曲線的比較36-37
• 4.4.2 交指型流場氫氣濃度分布37
• 4.4.3 氫氣的流動特性37-38
• 4.4.4 質(zhì)子交換膜上溫度及水分布38-41
• 4.4.5 水對流場性能影響41
• 4.5 基于樹狀分形的不對稱平行流場性能41-47
• 4.5.1 極化曲線及性能42-43
• 4.5.2 有效面積對平行流場極化曲線的影響43-44
• 4.5.3 平行流場的氫氣濃度分布及利用率44
• 4.5.4 質(zhì)子交換膜上溫度及水分布44-46
• 4.5.5 水對平行流場性能影響46-47
• 4.6 本章小結(jié)47-48
• 第5章 工作條件對樹狀分形不對稱流場性能的影響48-62
• 5.1 反應氣體加濕對樹狀分形不對稱流場性能的影響48-52
• 5.2 重力對流場性能的影響52-54
• 5.2.1 重力對基于樹狀分形的不對稱交指型流場PEMFC性能的影響52-53
• 5.2.2 重力對基于樹狀分形的不對稱平行流場性能的影響53-54
• 5.3 采用空氣為氧化劑對樹狀分形不對稱流場性能的影響54-59
• 5.3.1 采用空氣為氧化劑對樹狀分形不對稱交指型流場PEMFC性能的影響55-58
• 5.3.2 采用空氣為氧化劑對樹狀分形不對稱平行流場PEMFC性能的影響58-59
• 5.4 空氣輸入量對樹狀分形流場性能的影響59-60
• 5.5 本章小節(jié)60-62
• 第6章 PEMFC實驗測試及驗證62-69
• 6.1 PEMFC單電池部件及組裝62-64
• 6.2 實驗測試平臺64-65
• 6.3 實驗結(jié)果與分析65-67
• 6.4 本章小節(jié)67-69
• 第7章 總結(jié)與展望69-71
• 7.1 本文總結(jié)69
• 7.2 展望69-71
• 參考文獻71-75
• 致謝75-77
• 攻讀學位期間參與的項目與科研成果77

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