质子交换膜燃料电池内传递现象的数值模拟

摘要

该文分别对DMFC和H<,2>/O<,2>PEMFC建立了综合的数学模型,研究了电池内的传递现象和电化学特性,得到了电池的极化性能.比较了估算的极化性能与文献中的实验数据,结果表明该文的数学模型能够很好地模拟电池的工作性能.首先描述了一个用于模拟直接甲醇燃料电池特性的垂直于流道的二维数学模型,模型考虑了多组分传递、水动力学和电化学动力学,并且考虑了甲醇窜流在电池阴极产生的混合电位的影响.模型以Stefan-Maxwell扩散和Knudsen扩散的叠加描述了气体混合物在多孔电极中的扩散过程,以Tafel方程描述了甲醇在阳极氧化和氧在阴极还原的电化学动力学.计算了电池内反应物浓度的分布、电流密度分布、甲醇窜流以及电压-电流特性曲线等.然后,发展了一个用于研究质子交换膜燃料电池特性的三维综合的数学模型,模型同时考虑了流体流动、热量传递、电荷传递、多组分传递和电化学动力学.研究的区域包括阳极和阴极的流道、扩散层和催化层,以及中间的质子交换膜在内的整个电池.采用统一的数学方程描述整个区域传递现象,而用不同的源项和相应的物性参数反映不同性质的层.通过CFD技术求解传递方程组,并耦合电化学动力学方程,获得了电池内的流动、温度、反应物组分浓度等分布和电池的极化性能曲线.讨论了质子膜的导热率对电池内温度分布的影响.分析了进料速度和多孔扩散层孔隙率对电池性能的影响,结果表明较快的进料速度和较大的扩散层孔隙率都能有效提高电池的性能.最后,基于前面建立的数学模型,比较和计算了传统流道设计和交叉梳状流道设计PEM燃料电池的流场、电流密度和物料等的多维分布.

目录

文摘

英文文摘

声明及授权书

第一章绪论

1.1燃料电池

1.1.1燃料电池的基本组成和工作原理

1.1.2燃料电池的分类及特点

1.1.3燃料电池的性能和效率

1.2质子交换膜燃料电池

1.2.1基本结构

1.2.2工作原理

1.2.3质子交换膜(Pnton Exchange Membrane,PEM)

1.2.4质子交换膜燃料电池的特性

1.3直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

1.3.1阳极的甲醇氧化

1.3.2甲醇窜流

1.4本论文的主要研究内容

参考文献

第二章质子交换膜燃料电池的数学模型综述

2.1 H2/O2PEMFC数学模型综述

一维数学模型

二维数学模型

三维数学模型

动态和电池堆数学模型

水热管理和两相流数学模型

2.2直接甲醇燃料电池数学模型综述

2.3本章小结

参考文献

第三章直接液体甲醇燃料电池的数值模拟

3.1介绍

3.2数学模型描述

3.2.1阴极气体传输的控制方程

3.2.2电化学反应率方程

3.2.3电位控制方程

3.2.4液体的速度和压力方程

3.2.5甲醇传递控制方程

3.2.6边界条件

3.3结果与讨论

3.4参数分析

3.4.1浓度对电池性能的影响

3.4.2阴极压力对电池性能的影响

3.5模型的验证

3.6本章小结

参考文献

第四章直流道质子交换膜燃料电池的三维数值分析

4.1介绍

4.2模型的数学方程

4.2.1质量守恒方程

4.2.2动量守恒方程

4.2.3物料守恒方程

4.2.4电化学反应率

4.2.5电位控制方程

4.2.6温度控制方程

4.3边界条件

4.5结果与讨论

4.5.1基本工况和物性参数

4.5.2速度分布

4.5.3组分浓度分布

4.5.4相电位和电流密度分布

4.5.5温度分布

4.6不同工况对电池性能的影响

4.6.1进气速度对电池性能的影响

4.6.2气体扩散层孔隙率对电池性能的影响

4.6.3电池结构对性能的影响

4.7本章小结

参考文献

第五章不同流道结构质子交换膜燃料电池的三维模拟

5.1介绍

5.2模型和数学方程

5.2.1模型方程

5.2.2边界条件

5.3.3计算程序

5.3结果与讨论

5.4模型的验证

5.5本章小结

参考文献

第六章全文总结和展望

6.1结论

6.2今后工作的建议

符号说明

附录1通用微分方程的有限体积离散化

附录2程序结构和模块图

致谢

作者在攻读博士学位期间发表(含录用)的论文列表