选题背景及意义

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。其中质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过，而氢燃料失去的电子则从导线通过。工作时相当于直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。对车用燃料电池堆而言, 其工作时, 参加反应的氧、氢分别从外置气瓶或压气机经过气场(外置式气管和进气箱或内置式气体分配管道) , 然后进入流场,再经过扩散层到达反应区发电。质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。电池堆并非实际电池堆放在一起，而是指将多个燃料电池组成的电池堆受流动阻力、节流等因素影响, 电池堆中每个单电池的进气压力和进气量都难以均匀, 由此产生的问题是单电池的性能存在差异, 不能充分发挥每片电池的作用。为了尽量使每片电池通过的进排气量相等，需要对进排气管道进行优化。本毕业设计对燃料电池进出气管道各种参数形状对进排气量的影响进行分析，对进出气总管进行优化，提出合理的进出气总管方案。

国内外现状分析

对于燃料电池进出气总管优化的研究现状，在国内外都有不少研究成果，就国内来说，2007年覃有为、刘坤、肖金生等通过实验研究了车用质子交换膜燃料电池堆阴极进气系统模拟及优化，结果表明电堆阳极侧各单片进气较均匀，但是各单片进气速度太小，不利于进行水管理；电堆阴极侧各单片进气较不均匀，其差异值达到近4倍；电堆阴极进气从靠近进气总管进口到出口位置进气量依次增加。对于燃料电池堆而言, 可以运用各个流道进出口压力差值来评价进气均匀性。质子交换膜燃料电池堆阴极进气总管的布置形式对电堆内各单片电池的均匀性有较大的影响;采用两头双进口进气的布置方案可以使得电堆内的不均匀性得到一定的改善, 其单片质量流量的差异在30%以内; 阳极采用分段串联进气、阴极采用双进口两端进气的方案是较优的，基本能够满足均匀性和水管理的要求。

陈忠贤在2007年采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了燃料电池组管汇内的压力变化和流量分布。建立了由72个多孔介质单元组成的二维叠加模型，对通道流动阻力引起的压力降进行了评价。为了简化该模型，忽略了电化学反应、热传质现象，将空气作为工作流体，研究了堆内的流动分布。改变多孔介质的渗透性、管汇宽度和送风速度等设计参数，以估计管汇内气流分布的均匀性。提出了一个动量平衡理论和一个压力降模型来解释流动分布的物理机制。模拟结果表明，通道阻力和流形宽度均能提高流动分布的均匀性。此外，较低的送风速度也可以提高气流分布的均匀性。然而，过大的压降不利于实际应用。

2011年涂正凯等人对重力效应对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响进行了研究。他们结合不同的进气方式，研究了重力对质子交换膜燃料电池性能的影响，详细讨论了不同重力角下反应气进出口不同位置的叠层极化曲线。结果表明，在优化的重力角下，质子交换膜燃料电池组的输出功率可以得到很大的提高。通过改变气体进出口位置来实现的进气方式对性能也有很大的影响。当空气和氢气入口都位于烟囱的上侧时，在90度的倾斜角度下可以达到最佳性能，而当空气和氢气从底侧流入通道时，在90度的倾斜角度下性能最差。这些结果对质子交换膜燃料电池的设计和运行策略具有重要意义。为了提高性能，燃料电池的设计和操作应在最佳重力角和气体进出口位置进行。

2013年陈代芬等人对固体氧化物大型燃料电池堆的优化进行了研究，与传统的方法相比，将几十个固体氧化物燃料电池（SOFC）单元连接在一个大型堆中以支持高功率电源，具有大约10-30个电池的平面模块化短SOFC堆（P-MS）被认为有利于建立高功率SOFC堆。由于优化后的P-MSS对实现整个电源组的高性能至关重要，为了进一步为实际应用提供优化的结果，他们重点研究了具有逆流分布模式的特定10单元P-MSS的流形。具体来说，其目的是在堆芯重复燃料电池单元之间实现高流量分配质量。他们对燃料和空气流动路径以及不同进出口管汇位置和半径的替代管汇布置组合进行了优化，并给出了由此得出的结论。

对于国外，在2006年Seo Young Kim采用10芯质子交换膜燃料电池（PEMFC）和10个阴极通道，研究了进气管结构对燃料电池整体性能的影响。他考虑了四种不同类型的90度转弯的进气歧管，首先，他对流体的流型进行了数值求解。改进后的进气歧管的计算结果表明，气流分布均匀性提高了8.5%。他通过测量燃料电池组的实际气流分布，对数值预测进行了验证，同时还得到了10芯质子交换膜燃料电池的极化曲线和功率曲线，以确定进气管结构对实际性能的影响。使用改进的进气歧管后，最大功率输出增加了10.3%。

在2012年，Ford对固体氧化物燃料电池的优化进行了研究。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高温（600℃-1000℃）复合金属/陶瓷金属陶瓷电化学装置。在保持性能的同时，还需要有效地管理通过电池的热传递，以减轻由热应力引起的材料失效。他提出了一种利用无量纲几何参数设计SOFC的热力学优化方法。通过熵产生最小化，重新设计了平面SOFC的结构，以优化平衡热梯度和电池性能。这解决了一个约束优化问题，该优化通过在限制热梯度的同时最小化总熵的产生来达到最大的运动效率，在最大热梯度介于219 C/m和1249 C/m之间的情况下，优化设计的火用效率超过92%。

此外有Nicolas R.Quintanar等人利用PIV对自然循环下多分支管汇内的流量分布进行了实验测量。测量结果表明，立管内的流动表现类似，速度和垂直速度分别为6.68%和12.63%，所选高度的垂直湍流强度分别为8.7%和17.5%