摘 要

现今，全球能源环境问题日益突出，各国都在不断探索发展新的可持续应用的高效能源，其中氢能是一种十分重要的二次能源，也得到了广泛关注，而燃料电池则可以利用氢能，并将其转化成电能的形式输出，并且随着相关研究的不断进展燃料电池种类不断增加，其中质子交换膜燃料电池发展较快，应用领域较广。

本文旨在结合科研项目，利用COMSOL开发一种简化的二维燃料电池堆模型。该模型求解了电化学反应、膜电极组件和气体流道中的一整套物质、电荷、能量守恒方程。基于该电堆模型，利用Matlab计算流量网络模型，分析电堆压力变化和流量分布的特性；另外，该电堆模型可用于研究设计参数对电堆性能的影响，证明了现有的电堆模型是快速计算和分析电堆级别流量共享和耦合热-质量-电相互作用的强大工具。

关键词：质子交换膜燃料电池；二维建模仿真；简化电堆；参数化；快速计算分析

Abstract

Nowadays, the global energy and environment problem increasingly prominent, countries have been exploring new sustainable development of the application of highly efficient energy sources, including the hydrogen is a kind of important secondary energy, it has received the attention, the fuel cell is a kind of hydrogen as the main fuel, the chemical energy of fuel into electricity directly by electrochemical reaction of high efficiency, low pollution and no noise generating set, with the rapid development of proton exchange membrane fuel cell, has a wide application field.

This paper aims to develop a simplified two-dimensional fuel cell reactor model by COMSOL in combination with the research project.This model solves a set of material, charge and energy conservation equations in electrochemical reaction, membrane electrode assembly and gas flow path.Based on the reactor model, Matlab is used to calculate the flow network model and analyze the characteristics of the pressure change and flow distribution of the reactor.In addition, the pile model can be used to study the effect of design parameters on the electric performance, proved that the existing electric pile model is fast calculation and analysis of pile level flow sharing and coupling heat - quality - a powerful tool for interaction.

Keywords :fuel cell; Two dimensional modeling simulation; PEMFC stack; Parametric

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景 2

1.3 研究课题 6

1.4 课题目的及难点 7

1.5 文献概述 8

1.6 本章小结 9

第二章 建立PEMFC二维单电池和简化电堆模型 10

2.1 建立二维单电池几何模型 10

2.2 二维单电池物理场添加 13

2.3物理场控制方程 23

2.4 建立二维简化电堆模型 26

2.5 本章小结 27

第三章 PEMFC单电池及简化电堆模型仿真结果分析 28

3.1 二维单电池模型仿真结果分析 28

3.2 二维简化电堆模型仿真结果分析 34

3.3 本章小结 38

第四章 PEMFC建模过程参数化 39

4.1 建模过程参数化的意义 39

4.2 参数化应用 39

4.3 本章小结 41

第五章 结论与研究方向 42

5.1结论 42

5.2 研究方向 42

参考文献 44

致谢 46

附录 47

第一章 绪论

1.1 引言

现今，能源节约和环境保护是人类社会可持续发展战略核心，是世界发展大环境的必然趋势与方向。20世纪以来围绕化石燃料建立的能源体系已不能满足环保节能的要求，资源利用发展遭遇重大挑战。社会进步，科技创新与生产力的发展需要充足的能源做基础，但对不可再生能源的过渡开采，必然会导致能源枯竭，引发能源危机继而环境严重污染，造成的后果是以牺牲人类赖以生存的物质条件为代价去发展经济、科技必将导致资源枯竭，社会发展遭到严重阻碍，人类生存受到威胁。现阶段到以后很长的一段时间，人类的衣食住行都离不开各种能源的消耗，其中对传统化石燃料如煤、石油、天然气更是有极大的依赖性。一方面，传统化石燃料不可再生，所以必须寻找有效的替代能源；另一方面，化石燃料燃烧产生二氧化碳等温室气体造成温室效应，不满足可持续发展的整体要求。种种的一切都在切实的发生在我们身边，以我国为例，传统资源的不断开采使用，经济、人口不断增长进而私家车的不断普及，汽车尾气排放量逐年增高，再加之我国电力来源主要以火力发电为主，等等各方面因素导致近年来以京津冀为首的一些地区雾霾严重，环境恶劣，严重影响居民身体健康。面对环境与能源问题，必须采取有效的措施，例如汽车行业，世界各国都把目光放在了新能源汽车方向的研究上，从混合动力到纯电动汽车。我国也出台了一系列的目标与政策扶植，各传统车企新兴车企无不在大力研发生产新能源汽车，但动力电池中的锂电池、燃料电池技术尚待发展，市场鱼龙混杂，新能源汽车还有很长的路要走。为此，必须找到切实有效的解决途径，可以预见的是，传统能源必然会有枯竭的一天，环境也要进行优化治理，不能任由其恶化，所以我们要慢慢减少对传统能源的依赖，找到量广且符合环境要求的新能源，这其中氢气所蕴含的氢能得到了关注，氢可以说是用之不尽，取之不竭。作为能源其具有元素重量最轻、气体导热性最好、元素普遍、热值高、燃烧性能好，点燃快等特点。燃料电池是众多电化学电源的一种，更贴切的说，燃料电池以氢为主要燃料，内部进行电化学反应进而产生电能， 是氢能利用的重要途径之一。

目前研究的燃料电池主要有PEMFC、DMFC、SOFC、AFC、PAFC、MCFC。燃料通过电电化学的方法来产生电有很多优点：由于电化学方式发电无热机过程，不受卡诺循环的限制，所以能量转化效率高。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备高效、高功率密度、快速启动和零排放的特点，近年来已成为新能源汽车的动力装置选项之一。目前国内对燃料电池电堆结构的模型在计算上是非常昂贵的。因此开发简化的PEMFC电堆的多维度综合模型是燃料电池设计工程师必须考虑的问题，对PEMFC电堆采用建模方法进行分析，是为了更快更清楚地研究单电池或电堆内部机理，了解反应进行的过程和各组分之间相互的作用及影响进而提高性能；从整体的尺寸形状，到各部件的材料参数，以及内部物理场，仿真分析都有助于更深入的了解燃料电池，而使用COMSOL建立简化电堆模型简化计算方法可以提高我们分析电堆参数的速度和效率。