车用PEM燃料电池的动态特性与耐久性研究

摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是目前很有希望应用于便携式电源、小型固定发电站、电动汽车等交通工具的动力电源，市场前景相当可观，但燃料电池的一些机理和耐久性问题目前仍没有解决。本文将针对燃料电池的内部机理、动态特性和耐久性，通过计算流体动力学软件Fluent、MATLAB/Simulink和ANSYS来研究电池的动态性能。 首先，描述质子交换膜燃料电池内部传质基本原理，然后建立单流道燃料电池几何模型，运用Fluent软件的PEM模块对其进行模拟分析，研究得出电池性能最佳时的操作压力为2atm。接着，将操作压力从1atm升高到2atm，计算研究膜中水的动态分布。结果表明，操作压力升高，膜中的水含量随之升高，并且膜中线处大约需要0.5s才能达到新的稳态，与膜达到稳态的时间大致相同，从而提高了燃料电池的性能。 然后，建立了MATLAB/Simulink的单电池模型，其活化面积为25cm2，主要研究操作压力对氢气和氧气分压的影响，进而研究其对燃料电池性能的影响。结果表明电池输出功率和效率随着操作压力的升高而升高，并且等效内阻会随着操作压力的升高而降低。当操作压力上升为2atm时，电池的输出功率为10.1042W，效率为57.57％，等效内阻为0.0331Ω。并且得出Simulink仿真大电池和电堆时效果较好，对于仿真小电池则具有一定的滞后性。 最后，用ANSYS设计了质子交换膜燃料电池的平面应变模型，仿真结果表明，电池装配过程中，如果只考虑装配，质子交换膜达到屈服需要加载s=6.55μm的位移载荷，而如果转化为加载压力，则需加载P=4.59MPa的力。给电池施加温度场后，施加s=3.95μm的位移载荷，膜已经达到了屈服极限，跟加载4.336MPa的力效果相同。热载荷对膜中心位置的寿命影响较大，而机械载荷对岸下对应的膜的寿命影响较大。给电池施加载荷后，膜靠近两侧的位置等效应力最大，此处最先失效。 本文主要从计算机仿真的角度，对车用质子交换膜燃料电池的内部机理及其耐久性进行研究，对于质子交换膜燃料电池的设计制造具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2文献综述

1.3本文工作

第2章PEM燃料电池动态传输的数学模型

2.1计算流体动力学基本方程

2.2电化学与电流守恒方程

2.3 Springer水传递模型

2.4本章小结

第3章基于Fluent的燃料电池动态传输模拟

3.1 Fluent计算流体动力学仿真软件

3.2三维计算模型

3.3操作压力对电池性能的影响

3.4本章小结

第4章基于Matlab/Simulink燃料电池动态特性仿真

4.1 Matlab/Simulink动态仿真软件

4.2 PEM燃料电池模型

4.3燃料电池的动态特性分析

4.4 Simulink和Fluent模拟结果的比较

4.5本章小结

第5章PEM燃料电池膜的耐久性研究

5.1 ANSYS有限元结构分析软件

5.2 PEM燃料电池耐久性分析模型

5.3机械应力分析

5.4热应力与机械应力耦合分析

5.5本章小结

第6章结论与展望

6.1结论

6.2展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目