摘 要

质子交换膜燃料电池工作过程中，反应物在管道中运动状态的变化会产生许多关联复杂的影响，包括流体的速度、压力、密度等的分布以及电池性能等的影响。这就需要利用Fluent建立质子交换膜燃料电池总管的三维模型来模拟计算电堆中的各种参数变化，并使用ensight进行相应的数据后处理。计算模型模拟了复制燃料电池堆的总管的一对总管模型的实验装置的两个部分。模型总管由一个入口和出口部分组成，该部分与一种含有一组孔的多个单元板连接。出口集管中的流动结构相当复杂，并且是在存在横流的情况下在受限空间内叠加一系列冲击射流的结果。来自代表单个电池出口的每个孔的流体以射流形式进入出口集管并受到横流影响。本文主要研究了出口集管中的湍流情况以及各个单电池的流量分布情况。

关键词：质子交换膜燃料电池；Fluent；三维建模；ensight；湍流

Abstract

During the operation of the proton exchange membrane fuel cell, the movement of the reactants in the pipeline will have many complex effects, including the distribution of fluid velocity, pressure, density, and battery performance. This requires the use of Fluent to establish a three-dimensional model of the proton exchange membrane fuel cell manifold to simulate the calculation of various parameter changes in the stack and use ensight for corresponding data post-processing. The calculation model simulates two parts of an experimental setup that duplicates a pair of manifold models of the manifold of a fuel cell stack. The model manifold consists of an inlet and outlet section that is connected to a plurality of cell plates containing a set of holes. The flow structure in the outlet header is quite complex and is the result of superimposing a series of impinging jets in a confined space in the presence of cross flow. Fluid from each hole representing a single cell outlet enters the outlet header in the form of a jet and is affected by cross flow. This article mainly studies the turbulence in the outlet manifold and the flow distribution of each cell.

Keywords: PEMFC; Fluent;3D modeling;ensight;turbulence

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2燃料电池概述 2

1.2.1 燃料电池的优点 2

1.2.2 质子交换膜燃料电池的发展 3

1.2.3质子交换膜燃料电池优点 4

1.3质子交换膜燃料电池的单体结构和工作原理 4

1.3.1质子交换膜燃料电池的单体结构 4

1.3.2质子交换膜燃料电池的工作原理 5

1.4质子交换膜燃料电池堆 6

1.5 影响质子交换膜燃料电池性能的因素 7

1.6质子交换膜燃料电池堆国内外研究现状 7

第2章PEM燃料电池堆的研究方法和控制方程 10

2.1质子交换膜燃料电池堆的研究方法 10

2.2软件介绍 12

2.3 实验条件 13

2.4 控制方程 16

2.5本章小结 17

第3章 结果及分析 19

3.1. 进排气总管中的湍流流动特点及不同情况间的比较分析 19

3.1.1. U型配置中湍流情况 19

3.1.2. Z型配置中的湍流情况 21

3.2. 进气速率的变化对进排气总管中湍流的影响 23

3.3. 单电池质量流率的分配情况 25

第4章 总结与展望 27

4.1总结 27

4.2展望 27

参考文献 28

致谢 30

绪论

1.1引言

随着人类科学技术的发展和时代的不断进步，现今人类社会可持续发展的焦点已转变为节约能源和保护环境，并且对当前世界各国能源决议计划和科技导向的有着至关重要的影响。与此同时，它也为能源领域的技术发展提供了强大动力。新时代对高效、清洁、经济、安全的能源体系对第二次工业革命以来确立的以化石燃料为主的庞大能源体系提出了新的要求，能源领域的技术发展正面临着巨大的挑战。因而，当今时代的新的重要议题已经变成了如何去提升能源的利用率以及研究开发新的可替代能源。能源领域发展面临如此严峻的挑战，世界各国都将更多的重心投入到寻找和开发替代传统能源的新能源。这些能源涉及到太阳能、风能、生物智能、氢能、潮汐能、地热能还有核能。经过多年的努力创新，科学家们终于发现了一种新的能源构造，即太阳能→水→氢能（电能）。科学家们相信，将来的能源体系中太阳能将作为一种主要的一次能源取代目前的不可再生能源，如煤，石油，和天然气等。而氢能有可能成为世界能源舞台上一种举足轻重的二次可再生能源。

氢能是一种二次的可再生能源，它必须通过一定的措施才能从其他的一次或者二次能源中制取得来（例如以太阳能或核能制氢），而不像煤，石油，天然气等可以直接从地下开发。目前氢气主要以化石燃料制备而来，未来的制氢技术将会来自于一次的清洁可再生能源，例如太阳能制氢。作为氢能，它有下列特征：

1. 氢元素在自然间已经发现的元素中，属于质量最轻的，并且在标况下，它的密度仅为0.0898kg/m³；在零下252.7℃时，气态氢可转变为液态，若再将压力升高到数百个大气压，它可以继续转变为固态氢。
2. 与其他气体相比较，氢气拥有最佳的导热性。它的导热系数差不多是其他气体的十倍，也因此氢成为了能源领域中传热载体的最佳选择。
3. 在自然界中存在最多的元素就是氢元素。科学家估计，宇宙质量的四分之三都是氢提供的。在地球上，氢元素除了在空气中以气态的形式少量存在以外，大部分情况还是以水或者其他化合物的形式存在于自然界，地球上70%都是水。
4. 除核燃料外，氢的热值是现有的大规模使用的燃料中最高的，是汽油热值的3倍。
5. 氢气在一般条件下具有较广的燃烧范围，属于易燃气体，且燃烧迅速，热值高。
6. 氢燃烧所产生的生成物只有水和少量氨气。绝不会生成像一氧化碳、碳氢化合物等一系列对环境不友好的物质。而且少量的氨气在经过一定的处理之后也不会对环境造成不好的影响，因此氢算是最绿色环保的能源。
7. 利用氢的方式有很多。如通过在热力发动机中直接燃烧将热能转化成机械能，或者通过燃料电池转化成电能，又或者在一定条件下转化成固态氢用作结构材料。更重要的一点是，用氢逐渐取代煤和石油，不需要对现有的各种硬件装置做出重大改造，目前的内燃机设备略加改装就能继续使用。
8. 氢能以固液气三态形式的氢化物存在，因此能使用各种不同的储存条件和应用条件。

正是凭借以上特点，氢能被视为21实际最具发展潜力的绿色能源。氢能的利用方式主要有三种：①直接燃烧；②使用燃料电池将热能转化为电能；③核聚变。其中燃料电池技术一直被认为是利用氢能，解决未来人类能源危机的终极方案^[1]。

以太阳能电解水制氢，同时生成我们每时每刻呼吸都必须的氧气，氢经由储存和运输系统运送到需要的地方，再通过燃料电池产生可以使用的电力和纯净水，如此循环不止而形成了氢循环（Hydrogen cycle）。在此循环中，氢是能量的载体，是能量储存和运输的媒介，而燃料电池则是重要的能量转化装置。

1.2燃料电池概述

1.2.1 燃料电池的优点

燃料电池作为一种绿色能源，具备效率高，无污染，无噪声，重量轻等特点。它的应用面非常广泛，民生国防面面俱到。不仅可以作为便携式电子设备的小型电池，还可应用到中大型供电系统，如小型集中供电或者分散式供电系统，因而它被称作是21世纪的绿色保护能源。目前受到来自世界各国的重视，被认为是未来世界十大科技之首。