摘要
直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)作为最具潜力取代传统热机和蓄电池的一类清洁动力能源，凭借着其结构简单、操作容易、能量密度高以及可连续工作等优点，在交通、通信、便携式电子设备和国防等领域应用广阔。现阶段，DMFC仍存在甲醇穿透、极化现象和催化剂毒化等影响DMFC性能的问题。为了缓解上述弊端，本文在初始实验样本数据基础上，考虑到多类别参数，包括运行参数、极板几何参数以及膜电极(MEA)物理参数对DMFC性能的耦合影响，建立了Matalab与Fluent的联合仿真模型，对DMFC多类别参数自适应优化，以提升电池能量转化率。 本文根据DMFC运行特点及性能要求，搭建了多参数可调的实验测试平台，并确定了电池性能测试方法。在不同参数下的实验极化曲线基础上，分析并确定了影响DMFC电池能量转化率的多类别参数，包括甲醇溶液浓度CMe、甲醇溶液流速FMe、电池运行温度T和空气流速FAir、质子交换膜厚度Thickness、阴极催化剂载量Loading以及电压U。其次，本文建立了考虑DMFC性能与多类别参数之间关系的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真模型，并提出在以径向基函数网络(RBF)为代理模型的代理辅助的分层粒子群(SHPSO)优化算法的的基础上，对DMFC多类别参数优化设计。最后，建立了DMFC的联合仿真模型，将SHPSO优化算法和CFD仿真模型相结合，极大提高了DMFC以能量转化效率为指标的参数优化效率，实现多类别参数的自适应优化。 研究表明，本文建立的CFD仿真模型经实验结果验证，对于模拟多类别参数与DMFC能量转化率之间数值关系的结果具有较高的普适性与准确性；此外，本文建立的联合仿真模型极大提高了DMFC的多类别参数优化效率，并将其优化结果进行了实验，发现DMFC能量转化率比初始实验样本的最大能量转化率值相对提高了3.80%，从而验证了联合仿真模型的准确性。
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