摘 要

电动汽车是未来汽车发展的主流，而质子交换膜燃料电池(PEMFC)无疑是优秀的动力选择，它的发电过程不涉及氢气和氧气燃烧，将化学能转换为热能的效率高，对环境不会产生污染，工作可靠性能高，是一种清洁、高效的绿色环保电源能量。而进气总管的设计是其关键技术之一，更是当前研究的热点问题。

本文主要研究的内容是质子交换膜燃料电池堆阴极进气总管的建模仿真与优化设计。首先，介绍了一般燃料电池的工作原理和发展情况以及质子交换膜燃料电池的国内外研究现状，阐述了质子交换膜燃料电池的数学模型、建模的原理方法和建模软件，奠定了研究的理论基础。其次，运用GAMBIT软件建立并网格化模型，然后导入FLUENT软件，模拟电池堆内部的气体流动和压力分布，分析电池堆的性能并在此基础上进行阴极进气总管的优化设计。

研究成果表明：对进气总管的优化可以提升电池堆性能。将PEMFC电池堆的每一片单电池简化。用流道来代替单电池进行仿真计算，然后对电池堆的的仿真结果进行分析得到，当电池堆采用U型进气方式的情况下进气时，电池堆各单电池的进气性能比采用Z型进气的效果更优。对进气总管采用阶梯形优化后，电池堆的性能都有明显的提升，优化后的U型进气依然优于Z型进气。

本文的特色在于：利用GAMBIT软件建立并网格化模型，然后导入FLUENT软件对模型并仿真运行，在对电池堆工作性能分析的基础上，提出了优化设计方案并使电池的性能得到了提高。

关键词：质子交换膜；燃料电池堆；进气总管；流量分析

Abstract

Electric cars are the mainstream of future car development，Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is undoubtedly an excellent power option. Its power generation process does not involve hydrogen and oxygen combustion. It has high energy conversion rate, no pollution and high reliability.The design of the inlet manifold is one of its key technologies and is a hot issue in current research.

This paper mainly studies the simulation and optimization of the inlet manifold model of proton exchange membrane fuel cell stack. Firstly, the working principle and development of general fuel cells and the current research status of PEMFC are reviewed,the mathematical model of proton exchange membrane fuel cell, modeling principle, method and modeling software are expounded, which lays the theoretical foundation of this paper. Secondly, using GAMBIT software to build and mesh model, and then imported into FLUENT software, used to simulate the cell stack gas flow, on the basis of performance analysis and optimization design of the stack on the cathode of the inlet manifold.

Research results show that: The optimization of the intake manifold can improve the performance of the stack. Each cell of the stack is simplified as a flow path.The performance analysis of the battery stack shows that.The intake rate of the single cell of the battery stack is better than that of the Z type air intake when the U type is in the air intake.

In this paper, the characteristics are: Using GAMBIT software to establish and grid ding model, and then import FLUENT software to model and simulate the operation. Based on the analysis, the optimization design scheme is put forward to improve the performance of the battery.

Key words: Proton exchange membrane; fuel cell stack; intake manifold; flow analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1论文研究的背景 1

1.2论文研究的意义 1

1.2.1燃料电池 2

1.2.2质子交换膜燃料电池 3

1.2.3国外研究概况 3

1.2.4国内研究概况 4

1.3研究的主要内容 5

第2章 PEMFC数学模型介绍 6

2.1基本流体力学模型 6

2.2多孔介质中的流动与传质模型 7

2.3气平衡模型 8

2.4水平衡模型 9

2.5热平衡模型 9

第3章 PEMFC气场模拟 11

3.1阴极进气量 11

3.2电池堆的整体设计 11

3.3阴极气场模拟 14

3.3.1 Z型进气 14

3.3.2 U型进气 17

3.4 本章小结 20

第4章 阴极进气总管优化设计及对比分析 21

4.1 Z型进气优化设计及模拟 21

4.2 Z型进气优化设计前后对比分析 25

4.3 U型进气优化设计及模拟 25

4.4 U型进气优化设计前后对比分析 28

4.5本章小结 29

第5章 结论与展望 30

5.1结论 30

5.2展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1论文研究的背景

随着新能源汽车的快速发展,燃料电池技术的愈发成熟，同时在环境保护的国家政策影响下，电动汽车的发展将迎来一个更加繁荣的时代。燃料电池以其得天独厚的优势一直吸引着人类的关注，它的反应不会排放出有害污染物，使是一种十分优秀的绿色能源。相比与其他动力系统，燃料电池拥有更高的能量转化率，损失更少的能量就等同于节约更多的成本和资源。全球许多有名的汽车生产厂家，克莱斯勒、Ford、TOYOTA和GM等都一直在对其进行研究^[1]。除此之外，还有很多其他汽车公司也在进行着探索，比如国内的上汽荣威，比亚迪等等。不仅以燃料电池为动力的轿车受到大众的热点关注，燃料电池同样也用在运输用途的大客车上，客车的研发也在全球的多个地方如火如荼的进行着。研究者都在不懈努力，但是，就目前的情况来看，燃料电池汽车发展前进的道路上存在不少阻碍，有许多依然是困扰多年的难题，其中最重要的无疑是成本过高的问题。相信只要能在这方面得到突破性的进展，燃料电池汽车定会快速席卷全球。而在多种燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）更是后起之秀，它具有更加广泛的应用前景，并且该种类型的燃料电池在汽车上也已经开始使用。另外，质子交换膜燃料电池做成的可移动小型电源已经开始投入生产并进入市场。

1.2论文研究的意义