摘 要

燃料电池是一种将燃料中的化学能转化为电能的发电装置。质子交换膜燃料电池的发电过程没有明显的燃烧现象，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；同时采用的是清洁能源，工作时不会产生污染气体：燃料电池电堆是模块化组成，组装和维修简单方便，同时运行稳定性好，工作时噪音很小。由于这些优点，质子交换膜燃料电池是作为燃料电池汽车最有发展潜力的动力源。

燃料电池电堆进出气总管的作用是向每一片电池单元均匀地输送气体，其分配的均匀性会直接影响到燃料电池的整体性能，同时影响燃料电池的使用寿命。本次毕业设计采用CATIA建立流体分配模型，利用FLUENT对模型进行分析，研究不同的进气管道优化方案对气体分配均匀性的影响。

本文从标准矩形分配管道入手，先对50电池单元的标准矩形管道流体模性分析，得到每片电池单元的质量流量，发现靠近进气总管入口处的电池单元质量流量小，末端的质量流量大，于是先采用进气总管截面渐缩的模型，分析后发现优化效果并不明显，于是对标准矩形管道的质量流量进行分组处理，每组对应的进气管位置增添不同数量的堵块用来平衡流量，对堵块模型进行分析后发现效果比较理想。继续针对堵块模型的质量流量进行优化，在流量偏大的位置继续增加少许堵块，最后得到了均匀性更好的优化堵块方案。

关键词：质子交换膜电池，气体分配，均匀性，质量流量

Abstract

A fuel cell is a device that converts the chemical energy of fuel into electrical energy. There is no obvious combustion phenomenon in the power generation process of proton exchange membrane fuel cell, so it is not limited by carnot cycle and has high energy conversion rate. At the same time, it adopts clean energy, which will not produce pollution gas when working: the fuel cell electric reactor is composed of modules, which is easy to assemble and maintain, and has good running stability and low noise when working. Because of these advantages, proton exchange membrane fuel cell is the most potential power source of fuel cell vehicle.

The function of the fuel cell reactor inlet and outlet gas manifold is to evenly transfer gas to each cell. The uniformity of distribution will directly affect the overall performance of the fuel cell and the service life of the fuel cell. In this graduation project, CATIA was used to establish a fluid distribution model. FLUENT was used to analyze the model and study the influence of different air inlet pipeline optimization schemes on gas distribution uniformity.

In this paper, starting from the standard rectangular distribution pipeline, the fluid modulus of the standard rectangular distribution pipeline of 50 battery cells was first analyzed to obtain the mass flow rate of each battery cell. Near the inlet manifold can be found at the entrance of the battery unit mass flow rate is small, at the end of the mass flow rate is big, so the inlet manifold section of reducing model first, after analysis found that the optimization effect is not obvious, so the quality of standard rectangular pipe flow grouping processing, each group corresponds to adding different quantity of air inlet pipe position of wall block is used to balance traffic, analyze the wall block model and found the effect is ideal. Continue to optimize the mass flow of the blockage model, add a little more blockage at the location with high flow rate, and finally get a better optimization blockage scheme with better uniformity.

Key words: proton exchange membrane battery, gas distribution, uniformity, mass flow rate

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1燃料电池研究意义 1

1.2燃料电池研究现状 3

1.2.1国内研究现状 3

1.2.2国外研究现状 4

1.3研究目的 5

第2章 燃料电池气体分配总管模型建立 6

2.1气体分配总管设计 6

2.2管道基本参数 7

第3章 电池单元数量对模型影响分析 9

3.1模型初步设计 9

3.2不同数量电池单元模型分析 11

3.3对比分析结论 17

第4章 燃料电池气体分配总管优化设计 18

4.1燃料电池进气总管渐变设计 18

4.1.1进气总管末端8mm 18

4.1.2进气总管末端5mm 21

4.3初步方案对比分析及结论 24

4.4燃料电池新型气体分配管优化设计 25

4.4.1新型气体分配管设计 25

4.4.2新型气体分配管进一步优化 29

4.4.3新型气体分配管优化设计对比分析 32

第5章 结论与展望 35

5.1结论 35

5.2展望 36

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1燃料电池研究意义

随着我国工业化的快速发展，国民的生活水平随着不断提高，汽车对于一般百姓慢慢变得普通了，近些年来，汽车在国内变得越来越普及，据不完全统计数据显示，到2017年我国民用汽车保有量就已经达到了21743万辆，到2018年为止，据公安部统计全国新注册登记的汽车已经达到2.4亿辆。

由于市场需求的飞速增长，数量巨大的汽车也会造成许多问题，而交通拥堵仅仅是表面上的问题，更深层的问题是能源和环境问题。越来越多的汽车，影响的是能源的使用和消耗，以及汽车排气对环境所造成的恶劣影响。

目前大部分的车辆依然还是依靠的汽油和柴油作为主要能源，所以汽车的飞速增长造成了能源的使用量日趋增加，而石油能源是有限的，近年来由于汽车使用的消耗在逐年增大，导致石油资源正在逐渐变少，并且石油资源是不可再生的能源，长此以往石油必然会有一天枯竭；同时汽车排放的尾气作为空气污染的主要来源之一，其中含有大量的有害物质，包括一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅及硫氧化合物、固体颗粒等等。这些污染物不仅对自然生态环境造成了破坏, 而且对人类的健康也极为不利。氮氧化物 (主要为一氧化氮和二氧化氮)不仅是形成光化学烟雾和酸雨的重要原因, 而且会刺激人体的呼吸系统，造成肺部和呼吸系统疾病;汽车尾气中排出的固体颗粒物不仅影响植物正常生长, 还干扰太阳对地面的辐射, 对很多地区甚至可以说对全球的气候都会产生恶劣的影响, 并且直径在3.5μm以下的颗粒物可以被人体呼入肺部，进入人的支气管和肺泡中, 从而引起各种人体呼吸系统疾病，对人类的健康造成了巨大的损害^[1]。虽然近年来研发了一些新式的尾气净化技术，例如空气离子化和燃油磁化改质等一些机内净化技术，同时还有等离子体技术、氧化催化技术和三元催化技术等机外净化技术，但是这些净化技术或多或少都有不可避免的缺陷，机内净化技术会使发动机的动力性下降，使汽车性能下降；机外净化技术通常需要一些贵金属并且添加稀土金属氧化物作为催化剂，成本较高并且资源少，高温下有时还会使贵金属发生不可逆的化学变化，从而使贵金属失去催化作用，使用稳定性较差且寿命不长^[2]。并且无论使用什么净化技术，汽车尾气排放的控制也始终只能做到控制一部分的排放，并不能够从根本上治理尾气污染，长此以往尾气的污染还是会愈发严重。

相比较于传统燃油车，燃料电池汽车则具有许多优点：首先燃料电池可以实现零排放或者近似零排放；燃料的经济性很高，理论上可以实现100%效率的工作；提高了发动机的燃烧效率；没有明火燃烧，运行平稳，减少了机械部件的往复运动，工作时产生的噪声很小等^[3]。

由于不可再生能源资源的逐渐枯竭和全球环境的恶化，清洁高效并可再生的燃料正发挥着越来越重要的作用，从充分使用清洁可再生能源的角度考虑，氢的衍生应用是作为替代消耗化石燃料和其他空气污染能源的系统性的解决方案，无论是在固定式或者是在便携式电力应用方面，氢气都有很大的发展潜力，最简单的就比如说内燃机。因此，燃料电池是最有希望成为未来氢能源的关键技术之一的。

燃料电池主要分为熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)和直接乙醇燃料电池(DEFC)这几大类。由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能够快速启动并能够在低温下工作的特点，同时还具有高能效和较高的功率密度^[4]。这些特性使得质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为零排放汽车所用动力的最有希望的候选者。

图1.1 质子交换膜燃料电池组成及工作原理

随着质子交换膜燃料电池的出现和不断发展，燃料电池在新型汽车上的运用变得普遍，为了使燃料电池能够逐渐取代传统的内燃机，就需要做出高效率，寿命长，稳定性好的燃料电池电堆，使得汽油机上的优势能够在燃料电池上也有所体现，才能够使得传统的内燃机汽车失去优势，进而被燃料电池汽车取代。这就需要对燃料电池进行不断的改良，使其工作效果不断提升，达到能够和传统内燃机媲美甚至全方位超越传统内燃机的底部，这样燃料电池汽车的未来将会一片光明。

1.2燃料电池研究现状

1.2.1国内研究现状

我国在燃料电池电堆开发方面，已经形成包括明天氢能、新源动力、武汉理工新能源、弗尔赛等在内的具有自主知识产权的燃料电池电堆生产厂家；在电堆上游的配套方面，诸如MEA、碳纸、质子膜、石墨双极板等均已实现国产化。目前国内厂商已基本具备开发单个60kW以内功率的燃料电池电堆的能力，体积比功率基本可达到 2.0kW/L，但是与国际领先水平3.1kW/L 仍有一定差距。

在车载储氢和供氢技术方面，我国基本掌握35MPa高压储氢罐和加注系统关键技术，目前已经可以实现高压氢气瓶等部件在国内进行生产和开发，但某些关键部位诸如阀门、管路、传感器等，国内仍旧停留在研究或只能小批量生产阶段，大部分依旧主要靠进口。目前70MPa氢气存储关键技术我国已取得突破性成果，III型储氢瓶已经可以批量生产，但阀门、管路等关键部件还处在研发阶段，因此制约了我国低成本燃料电池汽车的开发进度。在供氢技术方面，国内已开发出可满足功率在60kW以内燃料电池发动机所需的引射式供氢组件产品，而对于回氢泵，我国尚未掌握其核心技术。

在燃料电池发动机可靠性、寿命和环境适应性方面，在车载工况下，目前的使用寿命在 3600 小时左右， 大约 3000km 需要进行相应的维护，冷启动温度为 -20℃，这与国外的燃料电池发动机相比，尚有差距，制约了我国燃料电池汽车的商业化推广

总体而言，我国的燃料电池所需的各种零部件和关键材料的测试性能和实际使用性能都基本接近甚至达到了国际水平，但是国内燃料电池关键部件由于市场需求不大，导致其仍处于商业化初始阶段^[5-10]。因此，现阶段燃料电池车开发成本较高，开发的进程也因此受到了一定程度的影响。

国内关于燃料电池的进气均匀性，进排气气体分配方面也有许多研究成果。

在2007年覃有为、刘坤、肖金生等人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的模拟及优化，他认为，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。从这个角度出发，他着手进行研究。他的研究结果表明：电堆阳极侧每片电池的进气较均匀，但是每片电池的进气速度太小，并不利于水管理的进行；另一方面，电堆阴极侧每片电池进气不够均匀，最大进气量和最小的之间差异值达到近4倍；电堆阴极进气量从进气总管进口侧到进气总管末端的进气量依次增加。质子交换膜燃料电池堆阴极进气管的布置方案对电堆内各单片电池的均匀性有较大的影响^[11] 。

陈忠贤在2007年采用计算流体动力学（CFD）的方法模拟了燃料电池堆总管内的压力变化和流量分布。他将模型简化，忽略了其中的电化学反应、热传质的现象，并且将空气作为工作流体，建立了由72个多孔介质单元组成的二维模型，研究了电堆内的流动分布，并且对通道的流动阻力引起压降的大小和分布进行了评价。他还改变了多孔介质的渗透性、管道宽度和入口速度等设计参数，重新估计管道内气流分布的均匀性。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，较低的进气速度也可以提高气流分布的均匀性。通过这些研究他提出了一个动量平衡理论和一个压力降模型，用来解释流动分布的物理机制。但是过大的压降并不利于实际应用，这个研究成果还是有一定的缺点存在^[12]。

在2011年涂正凯等人研究了重力对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。他们结合不同的进气方式，详细讨论了不同重力角下反应气从不同位置的进气口进入电堆的叠层极化曲线来研究重力对质子交换膜燃料电池性能的影响。他的研究结果表明，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，同时在经过优化后的重力角下，质子交换膜燃料电池组的输出功率可以得到很大的提高。研究发现当空气和氢气的入口都位于燃料电池电堆的上侧时， 90度的进气角度下可以实现燃料电池的最佳性能；而当空气和氢气从底侧流入进气管时，在90度的进气角度下燃料电池的性能却是最差的。这些结果对质子交换膜燃料电池的设计方案具有重要意义。燃料电池需要设计一个最佳的重力角，以及最合理的进气位置，才能实现燃料电池的性能最大化^[13]。

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，他们将几十个固体氧化物燃料电池单元（SOFC）连接在一个大型电堆中以实现一个整体的高功率电源。研究结果表明，大约10-30个电池单元组成的的平面模块化的SOFC电堆（P-MS）有利于建立高功率的SOFC电堆。由于优化后的P-MSS对实现整个电源组的高性能至关重要，为了进一步使优化的结果能够应用到实际生产中，他们重点研究了具有对流分布模式的含有10个电池单元的P-MSS的特定模型。他们对燃料和空气的流动路径以及不同进出口管道位置和不同半径的管道布置组合进行了优化分析，目的是在电堆的各个燃料电池单元之间实现高的质量流量分配^[14]。

1.2.2国外研究现状

国外同样对燃料电池这方面有大量的研究成果，在2006年Seo Young Kim采用拥有10个阴极通道的10芯质子交换膜燃料电池（PEMFC），研究了进气管结构对燃料电池的整体性能的影响。他设计了四种不同的带有90度弯折的进气管道，首先，他对改进后的流体模型的流速进行了数值求解。改进后的进气歧管的计算结果表明，气流的分布均匀性提高了8.5%。然后他通过测量燃料电池组的实际气流分布，对数值的计算结果进行了验证，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，用来确定进气管结构对实际性能的影响。他使用改进的进气歧管后，发现最大功率输出增加了10.3%^[15]。

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）是一种在高温下运行的（600℃-1000℃）复合金属/陶瓷金属陶瓷电化学装置。它在高温下需要保持性能的同时，还要有效地管理电池内外的热传递，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。他通过最小化熵的产生，重新设计了平面SOFC的结构，以优化平衡热梯度和电池性能。这解决了一个由于热效应约束优化的问题，该优化通过在限制热梯度的同时最小化总熵的产生，来达到燃料电池最大的运行效率，他的优化设计研究实现了最大热梯度介于219 C/m和1249 C/m之间的情况下，固体氧化物燃料电池的燃烧效率超过92%^[16]。

此外还有Nicolas R. Quintanar等人利用PIV对自然循环下多分支管道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%，他所选高度的垂直湍流强度分别为8.7%和17.5%^[17]。

1.3研究目的

质子交换膜燃料电池电堆实际是多个电池单元堆放在一起，由于多个燃料电池组成的电池堆受流动阻力、节流等因素影响, 电池堆中每个电池单元的进气压力和进气量都难以均匀, 由此产生的问题是电池单元之间的性能存在差异,从而不能充分发挥每片电池的作用，整体燃料电池电堆的效率就没有办法达到最大。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形状的进气管道以及其余各项参数对进排气量的影响进行分析，对进出气总管进行优化设计，目的是找出最合理的进出气总管设计方案。

第2章 燃料电池气体分配总管模型建立

2.1气体分配总管设计

图2.1 质子交换膜燃料电池电堆

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