摘 要

燃料电池是一种直接将储存在氢气和氧气中的化学能直接转换成电能的能量转化装置。为了保证燃料电池的性能和寿命，需要膜电极各点性能保持一致，反应区域气体分布均匀、温度分布均匀，否则会导致膜电极各点性能存在较大差异，严重时会出现热点，甚至导致质子交换膜破损，影响了燃料电池的性能和使用寿命。为了改善燃料电池反应区域温度分布均匀性进而提升电池的性能，本文采用数值分析的方法对车用燃料电池冷却流场结构进行优化并对新型冷却流场进行探究。

首先，介绍了燃料电池发生电化学反应过程中涉及的一系列控制方程，并从燃料电池的极化特性曲线分析了电池内部热量的产生和传递过程；设计了六种类型的冷却流场，分别为：单通道直行流场、三种冷却流场内部集成翅片的单通道直行流场和两种波浪形冷却流场；建立了六种冷却流场的三维模型，确定了具体的网格划分方案。

然后，从电池的功率电流曲线、电流密度分布、冷却水进出口压降以及反应气体分布情况来对不同冷却流场的性能进行比较分析，并从电池整体的温度分布比较温度均匀性。结果表明：（1）在电池性能方面，冷却流道内部集成两个高为0.8mm翅片的结构在不同的电流密度下均有最大的功率；集成两个高为0.5mm翅片的结构和集成一个高为0.8mm翅片的结构的最大电流密度值最大；传统直行流道的冷却水进出口压降最低，仅为253.4Pa；集成一个高为0.8mm翅片的结构的反应气体在流道中分布最均匀。综合所有的性能指标，冷却流道内部集成一个高为0.8mm翅片的结构的性能最优；（2）在温度分布方面，传统直行流道有着最低的冷却水进出口温差，约为6.7℃；集成一个高为0.8mm翅片的结构的整体温度分布最为均匀，且平均温度最低；（3）冷却流道内部集成高导热系数的翅片可以提升电池的性能并改善电池整体的温度分布，翅片数少，性能提升明显，并且也有着相对较低的压降；空间波浪形冷却流场在性能以及温度分布均匀性上没有很明显的提升，而平面波浪形冷却流场在温度分布均匀性上有一定的提升。

关键词：车用燃料电池；数值模拟；冷却流场；性能；温度分布

Abstrat

The fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy stored in hydrogen and oxygen directly into electrical energy. In order to ensure the fuel cell’s performance and lifetime, to maintain consistent performance at various points on membrane electrode, also get uniform reaction gas distribution and uniform temperature distribution in the reaction area, otherwise it will lead to bigger difference in membrane electrode performance at various points, serious when a hotspot, and even result in proton exchange membrane damage, affects the performance of fuel cell and service lifetime. In order to improve the uniformity of temperature distribution in the reaction area of fuel cell and improve the performance of the cell, this paper adopts the method of numerical analysis to optimize the structure of cooling flow field of fuel cell vehicle and to explore the new cooling flow field.

Firstly, a series of governing equations involved in the electrochemical reaction of fuel cells are introduced, and the generation and transfer of heat inside the cells are analyzed from the polarization characteristic curves of the fuel cells. Subsequently,six types of cooling flow fields are designed, which are:single-channel straight-line flow field,three types of single-channel straight-line flow field with internal integrated fins, and two kinds of wavy cooling flow fields. Six three-dimensional models of cooling flow field are established and the specific meshing scheme is determined.

Then, the performance of different cooling structures was compared and analyzed from the power current curve of the battery, the distribution of current density, the pressure drop at the inlet and outlet of cooling water and the distribution of reaction gas, and the temperature uniformity was compared from the overall temperature distribution of the battery. The results show that: (1)in terms of battery performance, two structures with a height of 0.8mm fins are integrated into the cooling channel, which have the maximum power at different current densities. The maximum current density value of two structures with a height of 0.5mm and a structure with a height of 0.8mm are integrated into the cooling channel. The pressure drop of cooling channel. Based on all the performance indexes, a structure with a height of 0.8mm fin is integrated into the cooling channel to achieve the optimal performance. (2)in terms of temperature distribution,the traditional straight flow channel has the lowest temperature difference between the inlet and outlet of cooling water, about 6.7℃; A structure with a height of

0.8mm fin was integrated into the cooling channel. The overall temperature distribution was the most uniform and the average temperature was the lowest. (3)the fins with high thermal conductivity can improve the performance of the battery and the overall temperature distribution of the battery. With fewer fins, the performance can be improved significantly, and the pressure drop is relatively low. The performance of the spatial wavy cooling flow field and the uniformity of temperature distribution have not been significantly improved, while the planar wavy cooling flow field has been improved to some extent in the uniformity of temperature distribution.

Key Words：vehicle fuel cells；numerical simulation；cooling flow field；performance；temperature distribution

目录

摘 要 I

Abstrat II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.1.1 传统车用能源存在的问题 1

1.1.2 氢的利用 2

1.1.3 质子交换膜燃料电池工作原理 2

1.1.4 质子交换膜燃料电池电堆的结构 3

1.2燃料电池冷却方式 4

1.3国内外研究现状 5

1.3.1质子交换膜燃料电池冷却流场结构研究 5

1.3.2质子交换膜燃料电池热管理研究 8

1.4本文研究内容 9

第2章 燃料电池数学模型分析 10

2.1 引言 11

2.2 控制方程 11

2.2.1质量守恒方程 11

2.2.2动量守恒方程 12

2.2.3能量守恒方程 12

2.2.4组分守恒方程 13

2.2.5电荷守恒方程 13

2.3 燃料电池热分析 14

2.3.1燃料电池极化曲线分析 14

2.3.2燃料电池产生热量的分析 16

2.4 本章小结 16

第3章 燃料电池冷却流场优化 17

3.1 模型建立 17

3.1.1 结构优化型冷却流场模型建立 17

3.1.2 波浪形冷却流场模型建立 18

3.2 网格划分 19

3.2.1 网格划分方案制定 19

3.2.2 网格划分方案选取 20

3.3 边界条件和基本参数设置 22

3.4 不同燃料电池模型计算结果 23

3.3.1 不同模型的极化曲线 23

3.3.2 不同模型的电流密度 24

3.3.3 不同模型冷却水的压降 24

3.3.4 不同模型的反应气体分布 25

3.3.5 不同模型的温度分布 27

3.5 本章小结 29

第4章 不同燃料电池模型结果分析与后处理 30

4.1 不同燃料电池模型性能分析 30

4.1.1 不同模型的电压和功率分析比较 30

4.1.2 不同模型的电流密度分析比较 31

4.1.3 不同模型冷却水压降的分析比较 32

4.1.4 不同模型反应气体分布的分析比较 32

4.2 不同燃料电池模型温度分布分析 33

4.3 本章小结 35

第5章 结论 36

5.1 总结 36

5.1.1 研究内容总结 36

5.1.2 论文工作存在的不足 36

5.2 展望 37

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 传统车用能源存在的问题

能源是一个国家乃至世界最重要的问题。2006年3月，全国人大通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》，提出要把节约资源作为基本国策，发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型和环境友好型社会，经济发展要与人口、资源和环境相协调。2008年，第一届全国大学生节能减排社会实践和科技竞赛成功举办，“节能减排，绿色能源”是此次大赛的主题，鼓励大学生投入新能源研究。2010年国家开始投入大量新能源汽车补贴资金，鼓励私人购买新能源汽车，加强群众的节能减排意识。

图1.1 2011年-2019年中国汽车保有量示意图