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基于组合参数分析的质子交换膜燃料电池性能优化数值研究

作　者: 阮小龙
导　师: 凌长明
学　校: 广东海洋大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 质子交换膜燃料电池极化曲线数值模拟正交设计参数重合
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于不受卡诺循环限制、能量转化率高、可室温快速启动、无电解液流失、水易排除、寿命长、比功率与比能量高等突出优点,是目前最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。但是PEMFC目前还处于研究阶段,它的一些机理和关键问题还没有解决。质子交换膜燃料电池多参数同时变化对电池性能的影响以及电池极化曲线为什么重合就是其中还没有解决的两个关键问题。本文首先采用Gambit2.2建立了一个平行流场PEMFC几何模型,通过计算流体力学软件Fluent6.3建立三维、两相、非等温、稳态数学模型,其中描述了PEMFC流动、传热与传质、电化学反应和水传递等模型。其次,本文采用正交设计、模糊熵权法与数值模拟相结合,系统研究了12个参数同时变化对电池极化曲线的影响以及参数间的交互关系。结果表明:阴极传递系数、阴极交换电流密度、氧气参考浓度、氧气在参考状态下的扩散系数对电池极化曲线有高度显著影响;阳极交换电流密度、扩散层的绝对渗透率对电池极化曲线有显著影响;扩散层孔隙率、氢气在参考状态下的扩散系数、水在参考状态下的扩散系数对电池极化曲线有一定影响;阳极传递系数、氢气参考浓度对电池极化曲线影响比较小。阴极传递系数与氧气在参考状态下的扩散系数、阴极交换电流密度与氧气参考浓度、阴极交换电流密度与氧气在参考状态下的扩散系数、氧气参考浓度与氧气在参考状态下的扩散系数有高度显著的交互作用;阴极传递系数与阴极交换电流密度、阴极传递系数与氧气参考浓度有显著的交互作用;阴极传递系数与阴极交换电流密度及氧气在参考状态下的扩散系数有一定的交互作用;其余的参数间的交互作用比较小。最后,在上述研究的基础上,根据电化学关联式,重点对影响电池极化曲线较大的3个高敏感参数及另外3个对电池极化曲线影响略大的敏感参数进行了研究,探寻他们在什么情况下才能使极化曲线重合,以及他们与极化曲线重合的内在关系。研究结果表明:当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阳极交换电流密度和氢气参考浓度,并使其满足特定关系式时,极化曲线完全重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阴极交换电流密度和氧气参考浓度,并使其满足特定关系式时,极化曲线完全重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阳极交换电流密度和阳极传递系数,并使其满足特定关系式时,极化曲线完全重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阴极交换电流密度和阴极传递系数,不能使极化曲线完全重合,但改变这两个参数可能会出现极化曲线部分重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阳极交换电流密度与阴极交换电流密度或者阳极传递系数与阴极传递系数,不能使极化曲线完全重合,但可能出现极化曲线部分重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阳极交换电流密度、氢气参考浓度、阳极传递系数,使其满足某些特定关系式时,极化曲线完全重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阴极交换电流密度、氧气参考浓度、阴极传递系数,不能使极化曲线完全重合。但其有可能使极化曲线近似重合;当保持PEMFC其他参数不变时,在参数取值区间内,同时改变阳极交换电流密度、氢气参考浓度、阴极交换电流密度、氧气参考浓度,使其满足某些特定关系式时,极化曲线不重合。但是当加上某些约束条件,极化曲线完全重合。PEMFC的性能受诸多参数的影响,对参数组合的研究,不仅减少了参数的研究个数,更重要的是一种全新研究方法在PEMFC性能优化研究方面的应用,促进了PEMFC基础理论研究的发展:通过分析参数之间的相互关系,揭示电池性能控制的微观机理,避免了单一参数研究的不足之处;通过分析组合参数的物理意义,为深入研究打下基础;通过分析组合参数或约束条件与极化曲线之间的关系,明确电池性能优化的方向。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-16
1 前言  16-29
  1.1 燃料电池的特点、应用和发展  16-20
  1.2 质子交换膜燃料电池的基本结构  20-23
    1.2.1 质子交换膜(PEM)  20-21
    1.2.2 催化剂层  21-22
    1.2.3 扩散层  22
    1.2.4 双极板(集流板)  22-23
  1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理  23-24
  1.4 质子交换膜燃料电池极化曲线分析  24-26
    1.4.1 活化极化区  24-25
    1.4.2 欧姆极化区  25
    1.4.3 浓差极化区  25-26
  1.5 参数对极化曲线影响研究现状  26-27
  1.6 本文的主要工作和意义  27-29
2 质子交换膜燃料电池的数学模型及计算方法  29-36
  2.1 模型中采用的假设  29
  2.2 模型的基本方程  29-34
    2.2.1 质量守恒方程  29-30
    2.2.2 动量方程  30
    2.2.3 能量守恒方程  30
    2.2.4 组分守恒方程  30-31
    2.2.5 电化学反应方程  31-33
    2.2.6 水平衡方程  33-34
  2.3 边界条件  34
  2.4 数值计算方法  34
  2.5 本章小结  34-36
3 PEMFC 极化曲线影响参数的正交设计研究  36-48
  3.1 引言  36-38
  3.2 计算模型及验证  38-39
    3.2.1 PEMFC 几何模型及其基本参数  38
    3.2.2 PEMFC 基本操作参数  38
    3.2.3 PEMFC 参数取值范围  38-39
    3.2.4 计算值与实验值的比较  39
  3.3 PEMFC 参数无交互作用的正交设计  39-45
    3.3.1 设计因数与水平确定  39-40
    3.3.2 参数的正交设计  40-41
    3.3.3 模糊熵权法  41-42
    3.3.4 模拟结果及处理  42-44
    3.3.5 结果分析  44-45
  3.4 PEMFC 参数交互作用的正交设计  45-47
    3.4.1 设计因数与水平确定  45
    3.4.2 参数交互的正交设计及熵权  45-46
    3.4.3 结果分析  46-47
  3.5 本章小结  47-48
4 PEMFC 两参数对电池极化曲线的影响  48-58
  4.1 引言  48
  4.2 PEMFC 极化曲线重合现象  48-56
    4.2.1 阳极交换电流密度( i_(a.ref))与氢气参考浓度( C_(h,ref))对电池极化曲线的影响  48-50
    4.2.2 阴极交换电流密度(i_(c.ref) )与氧气参考浓度(C_(o.ref) )对电池极化曲线的影响  50-51
    4.2.3 阳极交换电流密度(i_(a.ref) )与阳极传递系数(α_a )对电池极化曲线的影响  51-53
    4.2.4 阴极交换电流密度(i_(c. ref) )与阴极传递系数(α_c )对电池极化曲线的影响  53-54
    4.2.5 阳极传递系数(α_a )与阴极传递系数(α_c )对电池极化曲线的影响  54-55
    4.2.6 阳极交换电流密度(i_(a.ref))与阴极交换电流密度(i_(c.ref) )对电池极化曲线的影响..  55
    4.2.7 氧气参考扩散系数(D_(o.ref))与水参考扩散系数(D_(w.ref) )对电池极化曲线的影响  55-56
  4.3 本章小结  56-58
5 PEMFC 三参数及四参数对电池极化曲线的影响  58-64
  5.1 引言  58
  5.2 PEMFC 三参数极化曲线重合的研究  58-60
    5.2.1 阳极交换电流密度(i_(a.ref))、阳极传递系数(α_a )、氢气参考浓度(C_(h.ref)对电池极化曲线的影响  58-59
    5.2.2 阴极交换电流密度(i_(c.ref))、阴极传递系数(α_c )、氧气参考浓度(C_(o.ref))对电池极化曲线的影响  59-60
  5.3 PEMFC 四参数极化曲线重合的研究  60-62
    5.3.1 阳极交换电流密度(i_(a .ref))、阴极交换电流密度(i_(c.ref))、氧气参考浓度C_(o.ref))、氢气参考浓度(C_(h .ref))对电池极化曲线的影响  60-62
  5.4 PEMFC 无量纲数  62-63
  5.5 本章小结  63-64
6 总结与展望  64-66
  6.1 本文主要结论  64-65
  6.2 论文不足和后续工作建议  65-66
参考文献  66-72
致谢  72-73
作者简历  73-74
导师简介  74

基于组合参数分析的质子交换膜燃料电池性能优化数值研究

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