质子交换膜燃料电池传质传热机理分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置。与传统产能形式相比，由于其能量转换不经过燃烧过程，故不受卡诺循环的限制，能量转化效率高达45%-60%；另外，燃料电池可以实现零污染排放，无振动噪声产生。燃料电池的使用，不仅能获得高效的能量转换效率，还能降低尾气排放、缓解环境恶化带来的压力，被公认为21世纪最有前途的清洁能源[1]。

早在1839年，英国的grove就研制了用镀制的铂作为电极，以氢气为燃料，氧气为氧化剂的单电池[2]。燃料电池在发展初期受到成本、寿命、材料等方面的制约，并未得到大力的发展。近20年以来，随着能源结构的变革，高效清洁的能量转换技术和能源利用越来越被人们关注，燃料电池这种高效、洁净的能量转化装置也就得到各国政府、开发商及研究机构的普遍重视[3]。燃料电池种类多样，其中研究最广泛的是质子交换膜燃料电池。相比于其他类型的燃料电池，质子交换膜燃料电池以氢气、天然气、甲醇等能源作为燃料，其能量密度高、无腐蚀性、电池堆设计简单、系统稳固耐用、启动快捷、使用寿命长，可作为新一代电动汽车动力源、便携式小型电源、家庭热电联供系统等多种用途[4,5,6]。

国外众多学者基于空间维数变量划分的一维、二维、三维分布参数机理模型，对质子交换膜燃料电池的内部特性和传递现象进行了研究：bemadir[7]采用一维传热传质模型研究了pemfc中的水平衡问题；springer[8]提出了一个一维、等温、稳态的数学模型，得到膜的导电率随电流密度的增大而减小；kulikovsky[9]虑水热和蒸汽传输等物理化学过程建立了一维稳态模型。二维模型则在一维模型的基础上考虑电池内部的水热管理问题。gurau等[10]首次采用计算流体力学与计算传热学(cfd/cht)的方法对包括膜组件和流道在内的整个单电池建立了二维数学模型，模型预测的电池极化曲线与试验结果符合较好；futerko等[11]提出了一个基于有限元方法的二维模型，分析了流道和电极扩敞层气体的输运以及膜中水的传递过程；lei等[12]和chaudhary等[13]建立了pemfc的二维模型，探究基于此模型膜的含水量和温度对电池性能的影响。三维模型是基于二维模型的基础上提出和进行的工作，是对更为复杂的问题进行更全面的模拟。dutta等[14]建立了pemfc三维摸型，利用fluent软件对蛇形流道pemfc内的组分传递和电化学反应过程进行了数值模拟，给出了流道内的速度分布和反应界面上传质速率的二维分布；li等[15]利用三维数学摸型对复杂流道pemfc内部的传热、传质和电化学反应过程进行了数值摸拟，结果表明存在一个最优的燃料进口湿度，阴极气体流道内的气体扩散较慢，应改进阴极气体流道的设计以促进认的传递。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

本文主要通过详细了解质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，建立单电池几何模型，利用计算流体力学分析软件对单电池进行模拟仿真，根据仿真结果分析单电池的温度分布规律、热源位置及传热途径等。

2.2研究目标

3. 研究计划与安排

（1）查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施。确定方案，完成英文翻译、文献阅读报告及开题报告；（第1周—第3周）

（2）查找并阅读文献，总结归纳国内外燃料电池的发展现状及应用，针对质子交换膜燃料电池，详细分析其结构及工作原理；（第4周—第5周）

（3）学习建模软件solidworks，搜集质子交换膜燃料电池相关参数，完成单电池的实体建模工作；（第6周—第7周）

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王诚.燃料电池技术开发现状及发展趋势[j].新材料产业,2012,02:37-43.

[2]贾林,邵震宇燃料电池原理及其应用[m].中国城市燃气学会应用专业委员会2004年会,2004.

[3]侯明,衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[j].电化学,2012,01:1-13.