燃料电池和电解池内部两相流的数值模拟

摘要

质子交换膜燃料电池以其体积小、效率高、可以循环利用等优点，受到越来越多的关注，尤其在航天领域，燃料电池功能可与电解池功能结合使用，组成再生燃料电池，为航天领域提供洁净、可循环利用的动力源。由于航天领域的重力作用基本消失，在这种微重力环境下，气液两相流特点与常重力环境中有很大不同，也会对燃料电池及电解池的性能造成影响。因此，本文将主要研究不同工作角度对气液两相流动造成的影响，以此来为探索重力影响气液两相流的机理做一些基础性工作。
　　 首先，为了研究工作角度对燃料电池流场排水性能的影响，通过假设流道内初始液膜的存在，基于Fluent的VOF模型建立了燃料电池平行流场、蛇形流场气液两相流动动态模型，计算了垂直、水平、倾角45度工作角度下流场内的动态排水情况，分析了重力对流场排水性能的影响，然后对平行流场各分流道排水性能不同的现象进行了分析，并与渐缩总管分流道的排水性能进行了对比。建立了包含扩散层的U形流场气液两相流动动态模型，计算了垂直、水平、倾角45度工作角度下扩散层内的动态排水情况，分析了重力对扩散层内排水性能的影响，计算了扩散层多孔率0.2与0.5两种工况下扩散层内的动态排水情况，分析了多孔率对扩散层动态排水的影响。
　　 然后，建立了电解池点状流场气液两相流动模型，根据电流密度大小计算出氧气生成及液态水消耗源项，计算了圆形进口、矩形进口、各种进口流速、各种电流密度及亲水性肋壁面、疏水性肋壁面等工况下流场内气液两相流动的情况，分析了进口形状、流场内肋的分布、液态水流速、电流密度、肋壁面疏水性等参数对流场内气液两相流及氧气分布的影响。
　　 最后，基于Fluent的Mixture混合物模型建立了实际操作工况下的燃料电池传质稳态模型，通过前面燃料电池流场动态排水模型得到的关于工作角度对气液两相流动影响的一些结论对对燃料电池内部气体组分传质过程进行了分析，计算了阴极在上、阴极在下两种工作角度下单流道燃料电池以及水平、垂直两种工作角度下蛇形流道燃料电池阴极氧气、液态水的分布情况，分析了工作角度、操作压力、化学计量比等参数对燃料电池内部气体传质及液态水分布造成的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 燃料电池发展简史

1.1.2 燃料电池的分类及特点

1.1.3 燃料电池的原理

1.1.4 质子交换膜燃料电池中的工程热物理问题

1.1.5 本论文的工作重点

1.2 研究现状评述

1.2.1 燃料电池VOF气液两相流模型

1.2.2 流场设计对PEMFC性能的影响

1.2.3 燃料电池两相流模型研究现状

1.2.4 微重力下燃料电池性能的实验研究

1.2.4 重力对气液两相流的影响

1.3 小结

第2章 燃料电池流道气液两相流模型

2.1 模型建立

2.2 平行流场气液两相流动态模拟

2.2.1 计算区域

2.2.2 计算过程描述

2.2.3 边界条件

2.2.4 网格独立性检查

2.2.5 工作角度对平行流场动态排水的影响

2.2.6 与渐缩总管的对比

2.3 蛇形流场气液两相流动态模拟

2.3.1 计算区域

2.3.2 计算过程描述

2.3.3 边界条件

2.3.4 网格独立性检查

2.3.5 工作角度对蛇形流场动态排水的影响

2.4 U形流道、扩散层气液两相流动态模拟

2.4.1 计算区域

2.4.2 计算过程描述

2.4.3 边界条件

2.4.4 网格独立性检查

2.4.5 U形流道气液两相流动态分析

2.4.6 工作角度对U形流道气液两相流的影响

2.4.7 多孔率对U形流道气液两相流的影响

2.5 小结

第3章 电解池点状流场气液两相流模型

3.1 点状流场气液两相流动模拟

3.1.1 计算区域

3.1.2 计算过程描述

3.1.3 边界条件

3.1.4 网格独立性检查

3.1.5 进口尺寸对电解池气液两相流动的影响

3.1.6 电流密度对电解池气液两相流动的影响

3.1.7 肋壁面疏水性对电解池气液两相流动的影响

3.1.8 进口流速对电解池气液两相流动的影响

3.2 小结

第4章 气液两相流对燃料电池组分传质的影响

4.1 模型建立

4.2 气体组分源项及扩散系数的确定

4.3 单流道燃料电池内部传质模拟

4.3.1 计算区域

4.3.2 计算过程描述

4.3.3 边界条件

4.3.4 网格独立性检查

4.3.5 工作角度对液态水分布及氧气传质的影响

4.3.6 工作压力对液态水分布及氧气传质的影响

4.3.7 化学计量比对液态水分布及氧气传质的影响

4.4 蛇形流道燃料电池内部传质模拟

4.4.1 计算区域

4.4.2 计算过程描述

4.4.3 边界条件

4.4.4 网格独立性检查

4.4.5 工作角度对液态水分布及氧气传质的影响

4.4.6 工作压力对液态水分布及氧气传质的影响

4.4.7 化学计量比对液念水分布及氧气传质的影响

4.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢