选题背景及意义

燃料电池（Fuel cell）是一种将化学能连续不断的转化成电能的电化学装置，只要持续供给燃料和氧化剂。它是在太阳能、水电、风电及核电之后又一种新兴的发电技术。燃料电池技术可以将物质中储存的化学能直接转化成电能，它的过程不受卡诺循环的限制，同时，燃料电池几乎不排放硫化物和氮氧化合物，因此它也被称为绿色能源。燃料电池具有清洁、高效、能量密度高等优点，是极具前途的新型能源技术之一。随着储氢技术及燃料电池技术的成熟，燃料电池作为高效的电能输出装置，有望成为重要的能源供应方式。因燃料电池高效且清洁的能源供应方式，除了在新能源汽车领域应用之外，在航天，潜艇等军事领域，在备用电源，中小型电站等领域也有广泛的应用前景。九十年代以来，日本、美国等经济大国许多研究单位，投入了巨大的人力和物力研究发展燃料电池技术。近些年来燃料电池生产成本的不断降低，燃料电池技术的研究、电堆的开发和应用示范已在各发达国家取得巨大进展，在各国政府的大力支持和业内人士的积极参与下，以燃料电池为代表的氢能利用在分布式发电、热电联产、叉车等领域已出现初期商业化趋势。在交通领域已有很多成功示范，各国同时还在加大氢能基础配套设施的建设发展力度，在燃料电池的基础研究方面仍在不断深入。各发达国家对燃料电池汽车发展的中长期发展已经布局完毕，在基础研究方面不遗余力地努力，在系统集成方面已经瞄准在可靠性的基础上实现轻量化、小体积以及批量生产的工艺和机械设备等目标。燃料电池气体分配箱是连接气源与燃料电池组的中间装置, 对气源起着分配作用, 由进气筒和密封罩两部分组成。为了获取所需的功率, 通常把多个单电池串联起来。要使燃料电池 正 常 工 作, 就 要 求 进 入 各 个 单 电 池 的 气 体 流 量 均 匀, 否 则,某个单电池得不到所需的气量, 效率就会急剧下降, 成为一个电 阻, 且 发 热 量 增 大, 使 膜 发 生 干 枯, 严 重 时 甚 至 会 使 电 池 组不能正常工作。研究表明, 燃料电池堆的电流密度最多为单电

池的 70% 。气体分配管道没有设计好, 导 致 气 体 在 各 个 单 电池之间分配不均匀, 是造成这种现象的最重要因素之一。

国内外现状分析

对于燃料电池的进气歧管，国内外研究很多。

近年来，简弃非等对燃料电池气体分配三维流场分析和数值模拟，研究表明增大进气速度有利用于气体的均匀化但同时应考虑气泵的能耗问题。 增加进气口数目, 相当于增大进气流量, 也有利于实现气体分配的均匀化，但不可能无限增加进口的数目。采用圆台型和扩压型进口分配箱比采用圆柱型进口分配箱, 气体流动更加平稳。进气筒截面面积的大小变化越平缓, 形成的漩涡就越小, 回流问题可以得到抑制, 使出口面上气体均匀分配效果更佳。

李湘华等对PEM 燃料电池进气箱的流场进行分析，研究表明为了使进气箱出口速度均匀，采用扩压型进口比采用圆筒型进口效果好。适当添加挡板或挡块可以使进气箱出口速度更加均匀，但是加挡板在一定程度上也增加了进气口所需的压力，增加了压气机的能耗。采用扩压型进口加流线型挡块的方案可以从根本上解决出口出现负速度的问题，提高出口速度的均匀性，同时降低了进气口所需的压力，提高了燃料电池的整体效率。通过合理设计扩压口的形状及流线型挡块的位置和形状尺寸，进气箱出口处的气体速度会更加均匀。

俞红梅等对燃料电池组的气体分配管道进行研究，结果表明气体分配管道在设计上趋向于内置型气体分配管道,正在围绕内置型气体分配管道进行多种设计上的改进,其主要目的在于降低密封和绝缘难度与制造成本,同时兼顾电池组的排水与排热。气体分配管道与单电池流场中阻力的比例关系对电池组内的气体分配起重要作用。为使电池稳定运行,气体分配管道中的阻力应远小于单电池流场中的阻力。由于单电池流场的阻力过大会导致气体再循环费用上升,这就要求由极板与密封垫串联而成的气体分配管道的阻力尽可能小,可有两种解决方法:一是在设计电池组时,在条件允许的前提下,使气体分配管道的直径(或当量直径)尽可能加大;二是在组装电池组时,要采取措施(如增加衬里)使得气体分配管道中内表面尽量光滑,这可以保证气体分配管道自身在气体分配时的均匀性,为各单电池的均匀运行创造条件。

艾勇诚等对PEM燃料电池气体分配、质量传递与电化学模型及应用进行研究，结果表明为了获得较好的电堆性能,各单电池获得的反应气的过量系数应尽量接近于总管进口的过量系数。进口质量流率一定时,总管截面积越大,气体分配的均匀性越好总管截面形状一定时,进口质量流率越小,气体分配的均匀性越好总管截面积一定时,水力直径越小,气体分配的均匀性越好其它条件均不变,各单电池流阻越大,气体分配的均匀性越好。通过增大电堆总管截面积可以有效的改善电堆中各单电池气体分配的均匀性。采用变截面总管,通过增大进出端截面积可以有效的改善电堆中各单电池气体分配的均匀性。遵循从总管进出口端到总管末端单电池流阻逐渐增大的原则,恰当布局各单电池流阻,可以得到较好的电堆气体分配均匀性。

JunDong等对具有多级通道的新型模块化歧管进行研究，结果表明为了获得更好的均匀性，每个阶段中的沟道长度和等效直径的比率需要大于7.出口处的气流均匀性随着L i / D i，eq的比率增加而增加。当供应给单个燃料电池的空气流速在1700和3400sccm之间时，所获得的均匀性在0.985-0.992的范围内变化。确认了所提出的流量分配歧管的有效性。在比率为L i / D i，eq=10的歧管中，压力损失从200增加到799Pa，而供应给单个燃料电池的空气流量从1700sccm增加到3400sccm。压力损失处于低水平，因此泵送气流的功率消耗是可接受的。