PEM燃料电池蛇形流场中气体与水传输的模拟

摘要

PEM(Proton Exchange Membrane，质子交换膜)燃料电池具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动和无污染等优点，作为一种新能源，正越来越受到人们的重视。 本文利用计算流体力学软件Fluent模拟分析蛇形流场的PEM燃料电池内部反应气体与水的传输。得出了一些有意义的结论，从而对燃料电池的设计及运行提供一定指导。 文中首先介绍燃料电池系统内部传质、传热基本原理，描述PEM燃料电池的三维数学模型，包括流动和传质基本方程、催化层中的电化学反应模型、多孔介质中的扩散模型、以及流道中水传输VOF(Volume OfFluid)模型。 接着，对渐缩流道蛇形流场的燃料电池进行模拟分析。通过分析，结果表明，渐缩流道的流场有利于反应物的传递、水的排出，并最终提高燃料电池性能，然而也导致流场内的压降增大，所需进气风机的功率增大。所以，应从电池整体效率的角度寻找一个最佳的流道渐缩度。 然后，从两蛇形流道的进气方式及流道排列模式来分析燃料电池内气体与水的传输特性。结果表明，这两种对蛇形流场的改进方式均有利于电池内的水气均匀分布，从而提高了电池性能。 最后，运用Fluent软件的二相流VOF模块对蛇形流道中水的传输进行了模拟分析。通过对下部带有注水孔直道中水传输模拟分析，考察了流道下部扩散层表面亲疏水性、注水孔尺寸、空气速度、注水速度等对水传输的影响，显示的结果表明，疏水扩散层表面、较小注水孔、较大空气速度有利于排水；较小注水速度减小了水的生成速度。通过对蛇形流道的弯道中水传输模拟分析，考察了弯道形状及壁面亲疏水性对水传输的影响。得到的结论表明，弧角弯道、亲水流道壁面更有利于流道内水的排出。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1燃料电池

1.1.2PEM燃料电池

1.1.3PEM燃料电池的两相流研究

1.2文献综述

1.2.1PEM燃料电池的数学建模与模拟

1.2.2PEM燃料电池流场分析研究

1.2.3PEM燃料电池中的两相流分析研究

1.3本文工作

1.3.1PEM燃料电池的数学模型

1.3.2渐缩流道结构对气体与水传输的影响

1.3.3进气模式对气体与水传输的影响

1.3.4流道中的水传输模拟

第2章PEM燃料电池的数学模型

2.1基本流体力学与电化学模型

2.1.1基本流体力学方程

2.1.2燃料电池中的电化学反应模型

2.2多孔介质中的流动与传质模型

2.3流道中水传输的VOF两相流模型

2.3.1两相流与多相流模型简介

2.3.2VOF两相流模型

2.4本章小结

第3章渐缩流道结构对气体与水传输的影响

3.1渐缩单直流道的燃料电池的模拟

3.1.1计算模型

3.1.2结果及分析

3.2渐缩单蛇流道的燃料电池的模拟

3.2.1计算模型

3.2.2结果及分析

3.3本章小结

第4章 进气模式对气体与水传输的影响

4.1计算模型

4.1.1几何模型及计算方案

4.1.2边界条件和物性参数

4.1.3模型假设

4.2结果及分析

4.2.1逆向进气结果分析

4.2.2并列单蛇流场结果分析

4.3本章小结

第5章 流道中的水传输模拟

5.1直道中的水传输模拟

5.1.1计算模型

5.1.2结果及分析

5.2弯道中的水传输模拟

5.2.1计算模型

5.2.2结果及分析

5.3本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

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