车用质子交换膜燃料电池热模拟计算及优化

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有启动快、比功率大、寿命长、无污染等优点，从而成为世界上燃料电池的开发热。但由于质子交换膜燃料电池内部约40％-50％的能量耗散为热能，如果没有有效的热管理会致使电池温度上升，电解质膜脱水收缩甚至破裂，所以有效的热管理是保证电池高性能和高效率的关键。
　　 本文使用计算机模拟的方法来分析质子交换膜燃料电池的热管理，使用了计算流体力学软件Fluent中的PEM模块进行计算。分别建立了交指型质子交换膜燃料电池单电池、带冷却通道的交指型质子交换膜燃料电池单电池和电池堆等模型并对其进行分析。
　　 对交指型质子交换膜燃料电池单电池进行了模拟计算，得出电池内阳极催化层、膜中心和阴极催化层的温度变化一致，为整个电池的高温区，且最高温度出现在阴极催化层。
　　 在此基础上，探讨了电流密度和加湿程度对单电池的性能及温度分布的影响，结果表明流道下膜的温度比岸下膜的温度高，且温差也大；电流密度越大，膜中心的温差越大；电流密度和膜的温差都随加湿程度的变化而变化，同样条件下，在较低加湿条件下阳极比阴极加湿更能改善电池的性能和膜的润湿程度。
　　 建立了带冷却通道的交指型质子交换膜燃料电池单电池的模型，冷却水流速在0.1m/s-10m/s之间时，冷却水的出口平均温度随流速的增加而降低，流速越小吸收的热量越多；冷却水的流速对膜中温度分布的影响很小。冷却水的出口的温差随冷却水进口温度的增加而降低；膜上的温差随冷却水进口的温度增加呈先增加后降低的趋势，但变化很小。冷却水出口温度逆流时比顺流时低；膜的温差逆流时比顺流时要大，但温差相差很小。改变冷却槽的结构能够改变质子交换膜燃料电池单电池的出口温度和膜的温度分布。
　　 通过建立单电池为直流场的电堆模型，得出电堆采用冷却水进口温度为343.15K比进口为333.15K时性能要好。在冷却水进口温度为343.15K时，电堆每个单电池加冷却通道和电堆每三个单电池之间加冷却通道都符合设计的要求，但后者比前者结构简单，更能节约材料，减少体积和重量，降低成本。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 燃料电池电动车发展现状及展望

1.2 质子交换膜燃料电池

1.2.1 燃料电池简介

1.2.2 质子交换膜燃料电池的流场结构

1.2.3 质子交换膜燃料电池的工作原理

1.2.4 质子交换膜燃料电池的优点

1.3 质子交换膜燃料电池热管理

1.3.1 质子交换膜燃料电池热管理的目标

1.3.2 质子交换膜燃料电池热管理方法

1.4 质子交换膜数值模拟方法及现状

1.4.1 一维模型

1.4.2 二维模型

1.4.3 三维模型

1.5 本文工作

第二章 PEMFC传热计算模型

2.1 质量守恒方程

2.2 动量守恒方程

2.3 能量守恒方程

2.4 组分守恒方程

2.5 电化学模型

2.6 物质属性

2.6.1 O2和H2的化学计量数

2.6.2 相对湿度(RH)的计算

2.7 水传递模型

2.7.1 电迁移

2.7.2 压力迁移

2.7.3 浓差扩散

2.8 本章小结

第三章 交指型流场燃料电池的模拟计算

3.1 交指型流场燃料电池的模拟计算

3.1.1 几何模型及参数

3.1.2 交指型质子交换膜燃料电池的输出性能

3.1.3 单电池横贯电极方向上的温度分布

3.1.4 流道方向上的温度分布

3.2 本章小结

第四章 操作条件对电池性能及温度分布的影响

4.1 电流密度对膜的温度分布的影响

4.2 加湿对电池性能及温度分布的影响

4.2.1 阳极加湿对电流密度的影响

4.2.2 阴极加湿对电流密度的影响

4.2.3 阳极加湿对膜的温差的影响

4.2.4 阴极加湿对膜的温差的影响

4.2.5 阴、阳两极加湿对电流密度和膜的温差影响的比较

4.3 本章小结

第五章 带冷却通道的燃料电池单电池的模拟计算

5.1 冷却流道对电池的温度分布影响

5.1.1 几何模型及参数

5.1.2 冷却水温度分析

5.1.3 单电池各层的温度分布

5.1.4 膜中的温度分布

5.2 冷却水流速对冷却效果的影响

5.2.1 冷却水流速对出口温度的影响

5.2.2 冷却水流速对膜中的温度分布的影响

5.3 冷却水的入口温度对冷却效果的影响

5.4 冷却水流向对冷却效果的影响

5.5 冷却槽位置对冷却效果的影响

5.6 本章小结

第六章 PEMFC电池堆的热模拟及优化

6.1 燃料电池的热管理

6.1.1 燃料电池热量的产生

6.1.2 燃料电池的散热

6.2 电池堆的热模拟

6.2.1 几何模型及参数

6.2.2 电池堆的温度分布

6.3 电池堆的结构优化

6.4 两种电池堆结构计算结果比较

6.5 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢