现今，能源节约和环境保护是人类社会可持续发展战略核心，是世界发展大环境的主题与重点。20世纪建立起来的以化石燃料为主的庞大能源系统已无法适应社会对高效、清洁、经济、安全的能源体系的要求，能源发展面临巨大挑战，而氢能有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源，氢能必须通过一定的方法从其他一次或二次能源制取而得（例如以太阳能或核能电解水制氢），而不像煤、石油、天然气等可以直接从地下开发。目前氢主要从化石燃料制取而来，作为能源其具有元素重量最轻、气体导热性最好、元素普遍、热值高、燃烧性能好，点燃快等特点。而燃料电池是众多电化学电源的一种，更准确的说，燃料电池是一种以氢为主要燃料，把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换成电能的高效、低污染、无噪声的发电装置。[1]

目前研究的燃料电池主要有PEMFC、DMFC、SOFC、AFC、PAFC、MCFC。燃料通过电池的方法来产生电有许多优点：由于燃料电池是按电化学方式发电，不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，所以能量转化率高（40%~60%），噪音低，环境污染小，几乎不排放氮和硫的氧化物和二氧化碳。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是第五代燃料电池。它以全氟磺酸性固体聚合物为电解质，铂/碳或铂-钌/碳为电催化剂，氢或净化的富氢气体如重整气以及一些小分子有机化合物如甲醇为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。1960年美国首先把质子交换膜燃料电池用于双子星座（Gemini）宇宙飞船上。与其它燃料电池相比， PEMFC还具有以下优点：工作电流大，比功率高，比能量大，工作温度低，电解质无腐蚀，环境污染小，低温下几秒内可启动，寿命长，用途广泛，符合人类社会可持续发展的要求。^[2] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备高效、高功率密度、快速启动和零排放的特点，近年来已成为新能源汽车的动力装置选项之一。虽然国内外已经有大量针对质子交换膜燃料电池的研究，但是关于电池堆的研究还是比较匮乏的,而且这些模型在计算上也是非常昂贵的。因此开发简化的PEMFC电堆的多维度综合模型是燃料电池设计工程师必须考虑的问题，对PEMFC几类建模方法进行分析，主要包括：机理模型 、经验模型和等效电路模型。其中，机理模型可以准确地反映出燃料电池的内部反应机制，但其推导过程复杂，模型参数较多且大多不易获得；经验模型简单用，但是其所提供的关于燃料电池内电化学反应的信息少，难以用于优化电池的结构参数；等效电路模型采用电子元件模拟PEMFC内部特性，以描述燃料电池的电气特性以及与功率调理电路 的交互，简单实用，但不能真实反映内部机理。通过对建模方法进行深人的研究和分析，有助于了解PEMFC内部反应机理和外部行为表达。大多数经验模型和半经验模型的最终目的都是通过预测燃料电池的极化曲线，以研究其性能。而简化电堆模型可以提高我们分析电堆参数的速度和效率。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

（1）预先构设一个电堆的参数，包括尺寸，运输和热力学性能，操作参数，模型参数等。尺寸方面包括一个单电池的组件厚度长度（例如双极板厚度，冷却剂通道高度阳极扩散层厚度，阳极催化层厚度气体扩散层厚度等）以及电堆的水力直径，面积，电池数量。运输和热力学性能里面包括：1材料（热，电）。2流体：气体混合剂和冷却剂。模型参数里面包括子模型（膜，各向异性流动阻力，电化学反应）。

（2）由连续性方程，动量方程，Butler-Volmer方程等建立PEMFC二维模型。建立一个单电池模型，即以一个三维单电池模型进气或排气面的中心线为基准，切割三维模型得到的那个平面。

（3）再将其简化，简化主要针对CCL、Membrane、ACL这三层。再将建立好的单电池简化模型组合成一个简化电堆模型。

（4）利用Matlab语言求解流量网络模型方程，利用所建立的模型，模拟电堆中流场、组分、电流与电压分布并做优化设计。