直接甲醇燃料电池网格状流道优化及其多场耦合机理研究

摘要

直接甲醇燃料电池是新能源领域研究者普遍关注的热点，近年来，通过流道优化设计提升燃料电池性能已成为该领域研究的重点。然而，当前研究围绕蛇形、平行、仿生流道等常见方案，网格流道燃料电池的能量转化机理研究有待深入。有鉴于此，本论文以网格状流道燃料电池能量转化过程及多场耦合机理为研究对象，采用数值模拟与实验研究相结合的研究方法，依次考察典型运行参数下网格状流道燃料电池的多场耦合机理，探讨运行参数的优化规律，探索流道优化及非均匀性设计的影响。主要研究内容与结果总结如下：　　(1)发展了用于描述网格状流道燃料电池能量转化的三维单相流数值模型。基于课题组前期成果，针对网格状流道燃料电池流场、浓度场和电流密度场的多场耦合特点，耦合质量守恒、动量守恒、对流扩散和电化学方程，发展了基于有限体积法构建的三维单相流数值模型，并且较系统地探讨了数值模型的网格相关性和数值稳定性。通过对比实验模型结果，验证了本模型在不同流道(蛇形、网格状)燃料电池研究中的可靠性。　　(2)研究了典型运行参数下网格状流道与蛇形流道的性能差异，较深入地探讨了不同流道设计燃料电池能量转化差异的深层机理。基于常见运行参数，数值模拟研究表明，网格状流道燃料电池整体性能约为蛇形流道燃料电池的42.87%，两者的性能差异主要集中在较大的电流密度范围内[40mA/cm2,100mA/cm2]。此外，多场耦合数值结果也表明，流道层内网格状流道相对蛇形流道流动输运效率更高，但跨层输运能力远低于蛇形流道；扩散层底面蛇形流道燃料分布为条带状，网格状流道燃料分布不均匀且平均浓度明显降低，进而导致典型运行参数下网格状流道电池性能低于蛇形流道。　　(3)开展了网格状流道燃料电池运行参数优化研究，系统分析了常见运行参数(温度、浓度、压力降等)对网格状流道燃料电池能量转化性能的影响及其深层机理。研究表明，依次针对温度、浓度和压力降展开的参数优化，能显著提升燃料电池整体性能20%左右。另外，多场耦合数值研究表明随着温度增加，燃料电池跨层输运效率更高，电池性能增加；随着浓度增加，燃料电池跨层输运效率也更高，但甲醇穿透严重，电流密度先增加后显著降低；随着压力降增大，燃料电池跨层输运效率更高，电池性能增加。　　(4)探索了均匀网格状流道网格数目影响规律并探讨了非均匀性网格状流道(“水平缩变”、“垂直缩变”和“交错型”)优化设计。研究表明增加网格数目，燃料电池能量转化性能显著提高约10%。针对均匀性网格状流道，开展非均匀性设计，研究发现非均匀性设计均能提高燃料电池能量转化性能，最大提升性能约为4%。同时，多场耦合数值研究发现网格数目增加，燃料电池传质输运和跨层输运效率更高，导致电池性能更高。另外，交错型流道设计相对均匀流道在水平方向传质输运和跨层输运效率更高，平均浓度增大，电池性能更高。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究进展

1.2.1 燃料电池数值建模进展

1.2.2 常见流道设计方案

1.3 研究内容

第 2 章 燃料电池多场耦合数值建模

2.1 问题描述

2.2 理论建模

2.2.1 流场：单相多组分流动

2.2.2 浓度场：单相多组分对流扩散

2.2.3 电流场：电化学反应

2.2.4 多场耦合

2.3 数值建模及模型验证

2.3.1 数值建模

2.3.2 边界条件

2.3.3 网格验证

2.3.4 模型验证

2.4 本章小结

第 3 章 典型运行参数下燃料电池的多场耦合机理

3.1 问题描述

3.2 不同流道燃料电池能量转化性能对比

3.3.1 流场分析

3.3.2 浓度场分析

3.3.3 电流密度场分析

3.4 小结

第 4 章 网格状流道燃料电池运行参数优化

4.1问题描述

4.2 温度影响规律

4.2.1 电池整体性能对比

4.2.2 流场分析

4.2.3 浓度场分析

4.2.4 平均浓度及浓度分布均匀度分析

4.2.5 电流密度场分析

4.3 入口浓度影响规律

4.3.1 电池整体性能对比

4.3.2 流场分析

4.3.3 浓度场分析

4.3.4 平均浓度及浓度分布均匀度分析

4.3.5 电流密度场分析

4.4 压力降影响规律

4.4.1 电池整体性能对比

4.4.2 流场分析

4.4.3 浓度场分析

4.4.4 平均浓度及浓度分布均匀度分析

4.4.5 电流密度场分析

4.5 小结

第 5 章 均匀性与非均匀性网格状流道优化

5.1 均匀性网格状流道网格数目影响规律

5.1.1 电池整体性能对比

5.1.2 流场分析

5.1.3 浓度场分析

5.1.4 平均浓度值与浓度分布均匀度分析

5.1.5 电流密度场分析

5.2 非均匀性网格状流道影响规律

5.2.1 电池整体性能对比

5.2.2 流场分析

5.2.3 浓度场分析

5.2.4 平均浓度值与浓度分布均匀度分析

5.2.5 电流密度场分析

5.3 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）