车用燃料电池的工作过程建模仿真设计毕业论文
2021-04-21 22:07:37
摘 要
本文根据质子交换膜燃料电池的工作机理，对电池工作过程进行仿真模拟分析，建立了电池相邻流体通道单元的二维模型和电池的三维模型，根据仿真得到的数值，对电池及其系统进行设计。
论文主要研究了质子交换膜燃料电池工作过程中的气体扩散层中物质传输和反应物和水的传输，包含流道、气体扩散层 (GDL) 及多孔电极中阴阳极的质量和动量传输情况。
研究结果表明，电池工作时，阴阳极与流场板相接触的地方，存在四个拐角点，在拐角点处最大，达到10000A/m2,电池工作时平均电流密度大约5000 A/m2，并且电池温度，阴阳极气体湿度，气体压力都对电流密度有影响。
本文的特色：运用COMSOL软件，很接近地模拟了PEMFC的工作过程，对其数值模拟较为准确，并有二维和三维两个模型，仿真结果较为全面。
关键词：质子交换膜燃料电池；流体通道模型；建模仿真；电池设计
Abstract
Based on the working mechanism of the proton exchange membrane fuel cell, this paper simulates and analyzes the working process of the battery, establishes the two-dimensional model of the cell adjacent cell and the three-dimensional model of the cell, and performs the battery and its system according to the numerical value obtained from the simulation design.
The dissertation mainly studies the material transport in the gas diffusion layer and the steady state transfer of reactants and water in the working process of proton exchange membrane fuel cells, including flow channels, gas diffusion layers (GDL), and anode and cathode mass and momentum transfer in porous electrodes phenomenon.
The results show that the current density at the corner of the contact surface between the electrode and the flow field plate reaches a maximum when the battery is working, the maximum current density can reach 10000A/m2, the average current density when the battery is working is about 5000 A/m2, and the battery temperature, the cathode and anode gas humidity and gas pressure have an effect on current density.
The characteristics of this article: Using COMSOL software, the working process of PEMFC is closely simulated. Its numerical simulation is more accurate. It has two models, two-dimensional and three-dimensional, and the simulation results are more comprehensive.
Key Words：Proton exchange membrane fuel cell；Fluid channel model；Modeling and Simulation；Battery design
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.2.1燃料电池汽车 1
1.2.2 PEMFC模型 2
1.3 燃料电池的分类 3
1.4 本文主要内容及篇章介绍 3
第2章 PEMFC系统的原理及结构 5
2.1 PEMFC单电池原理 5
2.2 PEMFC的主要元件 5
2.2.1 质子交换膜（PEM） 6
2.2.2 膜电极组件（MEA） 7
2.2.3 双极板与流场 7
2.3 PEMFC电池组 8
2.4 影响PEMFC性能的因素 8
2.4.1 温度对PEMFC性能的影响 8
2.4.2 压力对PEMFC性能的影响 9
2.4.3 反应气体湿度对PEMFC性能的影响 9
2.4.4 CO对PEMFC性能的影响 9
2.4.5 电流密度对PEMFC性能的影响 9
第3章 PEMFC建模及仿真分析 11
3.1 PEMFC的数学模型 11
3.1.1 模型假设 11
3.1.2 模型假设电极的数学模型描述 11
3.1.3 流体通道模型 11
3.2 基于COMSOL的PEMFC的二维全电池建模仿真 12
3.2.1 物理模型的建立 12
3.2.2 模型边界条件 14
3.2.3 仿真结果分析 17
3.3 PEMFC三维建模仿真 21
3.3.1 模型定义 21
3.3.2 网格划分及边界条件 22
3.3.3 仿真结果与讨论 23
3.4 本章小结 25
第4章 PEMFC及其系统的设计 26
4.1 单电池的设计 26
4.1.1 材料选择 26
4.1.2电池参数对电流密度的影响 26
4.1.3 单电池的尺寸及模型 28
4.2 电池组的设计 29
4.2.1 电池组设计原则 28
4.2.2 电池组的密封 29
4.2.3 电池组的水、热管理 29
4.3 PEMFC系统设计 30
4.3.1 氢氧供给系统 30
4.3.2 气体加热加湿系统 31
4.3.3 水热管理系统 32
4.3.4 控制系统 33
4.4 本章设计小结 33
第5章 总结与展望 35
5.1 总结 35
5.2 展望 35
参考文献 36
附录 38
致谢 39
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人类社会进步发展的源泉，是衡量一个国家生产力水平和科学技术水平的最直接因素，同时也反映了国民经济发展水平和生活质量。能源技术的每一次变革与创新决定了人类社会每一阶段的进步。当今世界使用最多的石油天然气等自然资源即将消失殆尽，现有的资源已经明显不能满足人类社会生产生活需要，由于人类对现有资源的不合理利用，环境污染问题也日趋激烈，全球气候变暖、温室效应日益严重、酸雨、臭氧空洞等等环境问题对人类的生存和发展的威胁正在步步紧逼。能源危机和环境问题成为了影响国民生活水平亟待解决的问题，为了满足能源与环境的双重需求，开发绿色新能源，顺应国家的可持续发展理念成为了大势所趋，引领节约资源与保护环境的绿色革命是当今人类的新目标［1,2］。
燃料电池（fuel cell，FC）是能够通过化学反应将燃料中的化学能转化为电能的装置，虽然被称为“电池”，但FC其实并不能储存电量，它只负责发电，本质上是一个能量转换器，更像是一个“发电机”。质子交换膜燃料电池（PEMFC ,Proton Exchange Membrane Fuel Cell）是一种新型燃料电池，其电能转化效率高、噪音污染小、可靠性高等特点，因此质子交换膜燃料电池越来越具有实用性，研究技术也更加成熟，世界各行各业包括各国政府部门都将其列入关注的研究的重点当下阶段，各种型号PEMFC己经应用到人类社会生活中的各个方面，包括集中式发电站、手机电池、车用动力源、军用设备供电等。当今时代，世界各地对汽车使用时的要求更高，试图通过技术将汽车的节能环保性能发挥到极致，导致PEMFC在汽车方面的应用需求日趋激烈，相应的研究与开发技术也在不断取得进步，许多汽车公司在开发PEMFC电动汽车方面已经取得不错的成就，包括通用，丰田等老牌汽车公司等，目前，世界各国都在加大节能环保汽车方面研究的投入经费，并且还在逐年增长［3,4］。
1.2 国内外发展现状
