摘 要

燃料电池是一种以氢气作为主要燃料，将储存在燃料和氧化剂中的化学能不经过燃烧过程直接转换为电能的高效的发电装置。燃料电池具有污染小，能量转化效率高，反应速度快，噪声小等特点，因此非常符合当下社会的能源体系。其中质子交换膜燃料电池受到多个国家的青睐，这几年的研发也是势不可挡。

本文利用多物理场耦合软件COMSOL建立了质子交换膜燃料电池的单电池和简化电堆二维仿真模型。本模型在物质传递过程这方面做了些简化，并模拟了单电池和电堆的流体，电流和电压的分布。最后对模型进行参数化处理，得到了一个快速计算和分析单电池和电堆的工具，使其对于任何一个单电池和电堆模型，修改参数之后都可以进行快速分析。并对参数化之后的模型进行了一些应用，例如改变电堆长度，改变其中一个单电池的边界条件，对向流，改变冷却水流速等对电堆的影响。结果表明：1.随着电堆长度变长，温度不断上升。2.对向流会提高电堆的温度，改变阴极水浓度分布，氧气质量分数分布沿流道分布与原模型相反。3.改变其中一个单电池的边界条件会使得该电池的电压出现变化。电压会随着初始浓度，速度的提高而提高。反之，亦然。其它单电池的电压会有一定的提升。4.提高冷却水流速会降低电堆的温度。当电堆的温度过高或者过低时，可以通过调节冷却水流速来调整。5.当电堆中每个单电池的氧气进气质量分数呈线性时，对应的电压也是线性分布的。6.通过比较不同温度下的极化曲线分析得到PEMFC存在最佳的工作温度的结论。

关键词：质子交换膜燃料电池；二维模型；简化电堆；参数化；快速计算分析

Abstract

A fuel cell is an efficient device that converts the chemical energy of hydrogen and oxygen into electricity without going through the combustion process. The fuel cell is a clean energy source that has advantages of high energy conversion efficiency and low emission, therefore, it is favored by the current social energy system. Among all types of fuel cells, the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has gained attention from many countries, hence its rapid research amp; development in recent years.

In this study, two-dimensional simulation models of single-cell and simplified stack of PEMFC are established using multi-physics coupling software COMSOL. Simplifications of certain transfer processes are made, and simulation results of the distributions of fluid, current and voltage of the single cell and the stack are obtained. The present models are also parameterized for some representative design variables. A rapid simulation tool for calculating and analyzing single cells and stacks is developed in this study. With this tool, design for single cell and stack can be carried out by altering the parameters. Parameterization is applied for some design cases, such as varying the stack length, the boundary conditions of one particular cell in the stack, flow configuration, and the cooling water flow rate, etc. Our model results show that: 1) When the length of the stack increases, the coolant temperature rises; 2) Counter-flow increases the temperature of the stack and changes the distribution of cathode water concentration, oxygen mass distribution along the flow channel distribution versus the original (co-flow) model; 3) Changing the boundary conditions of one cell in the stack will cause the cell voltages to change. Cell voltage will increase with the initial concentration and speed, and vice versa. The voltages of other normal cells will see some increase. 4) Increasing the cooling water flow rate will reduce the temperature of the stack. When the stack temperature is too high or too low, one can adjust the cooling water flow rate. 5) When the oxygen intake fraction of each cell in the stack is linear, the corresponding voltage is also linearly distributed. The optimum operating temperature of PEMFC is obtained by analyzing and comparing the polarization curves at different temperatures.

Key words: proton exchange membrane fuel cell; two-dimensional model; simplified stack; parameterization; rapid calculation and analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景 2

1.2.1 燃料电池的概述 2

1.2.2 质子交换膜燃料电池的原理 5

1.2.3 质子交换膜燃料电池结构 6

1.3 国内外研究现状 7

1.3.1 燃料电池模型分类 7

1.3.2 阴极催化层模型 7

1.3.3 单电池模型 8

1.3.4 电堆模型 8

1.3.5 电堆系统模型 9

1.4 本文研究课题 9

1.4.1 质子交换膜燃料电池二维单电池模型开发 9

1.4.2 质子交换膜燃料电池二维简化电堆模型开发 10

1.4.3 质子交换膜燃料电池二维单电池以及简化电堆模型参数化 11

第2章 PEMFC的二维单电池和简化电堆模型建立 12

2.1 二维单电池几何模型的建立 12

2.2 二维单电池物理场添加和设定 13

2.2.1 二次电流分布 14

2.2.2 多孔介质反应流1（阳极部分） 14

2.2.3 多孔介质反应流2（阴极部分） 15

2.2.4 传热 16

2.2.5 层流 17

2.2.6 网格 18

2.3 二维简化电堆几何模型建立 18

2.4 二维简化电堆物理场添加和设定 19

2.5 电堆网格化 19

2.6 本章小结 20

第3章 PEMFC的单电池和电堆中流体与电流分布 21

3.1 极化曲线 21

3.2 电解质电位 22

3.3 电压分布 23

3.4 阴阳极流体速度分布 24

3.5 阴阳极压力分布 26

3.6 氢气，氧气质量分数分布 28

3.7 氢气，氧气浓度分布 29

3.8 冷却水流速分布 30

3.9 冷却水压力分布 31

3.10 温度分布 32

3.11 阴阳极水浓度分布 33

3.12 本章小结 35

第4章 模型参数化 36

4.1 模型参数化的意义 36

4.2 模型参数化设置 36

4.3 模型参数化的应用 39

4.3.1 长度不同对电堆的影响 39

4.3.2 第5个单电池不正常工作对电堆的影响 40

4.3.3 氧气进气量呈线性关系时对电堆的影响 43

4.3.4 改变冷却水流速对电堆的影响 46

4.3.5 对向流对电堆的影响 46

4.3.6 不同情况下极化曲线的分析 47

4.4 本章小结 49

第5章 总结与展望 50

5.1 结论 50

5.2 研究展望 50

参考文献 52

致 谢 54

第1章 绪论

1.1 引言

全球对于能源和环境的关注一直都是高居不下的，因为能源匮乏和环境破坏会带来严重的问题。这些问题会阻碍人类的发展和社会的进步。有些能源是可以再生的，例如太阳能，风力，水力，而有些能源是不能再生的，例如石油，煤，天然气。能源危机主要是因为能源的过度消耗和利用而导致的，还有一些浪费行为。我们日常生活中能接触到的能源危机大概就是停电，停水，油价上涨等，无论是哪一种，都会给日常生活带来很大的负面影响。然而能源对于全球经济的发展有着至关重要的作用。人类社会需要发展，就需要很多的能源来支持。传统的石油能源极其短缺，而且其燃烧还会带来环境污染以及全球变暖等问题。环境问题一直都是让人很头疼的，谁都不想住在臭水沟的旁边，或者旁边就是垃圾山，又例如北京的雾霾，沙尘暴等问题，这些都会极大影响人们的生活质量和品质。黑烟阵阵的工厂在社会中也是越来越少了。所以我们开始寻找解决这些问题的办法，从问题的根源入手解决。即把目标转向了寻找替代石油的能源。这个替代能源不仅要满足燃烧产物没有污染，而且来源广泛，可以再生，又能达到和传统能源一样的动力供给。氢能源非常符合上述替代能源的要点，因此其开发和利用就应运而生了。氢气应该是所有能源当中最环保的，因为它的燃烧产物只有水。而氢气能够通过电解水制取获得，这样就构成了一个氢循环。而其他化石燃料的燃烧产物有一氧化碳，二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物等，对环境造成的污染很严重。氢气的燃烧热值很高，对比于传统化石燃料，完全是有过之而无不及。氢能还具有导热系数高，是广泛存在于大自然的元素，燃烧性好，点燃快，利用形式多等特点。氢能的运用方式主要有：1直接燃烧；2通过燃料电池转化为电能；3核聚变^[1]。

当今人类社会可持续发展的策略中心是节约能源和爱护环境。而20世纪以化石燃料为主的能源体系已经无法满足当下社会的需求，当今需要的是一个环保，经济，高效的能源体系。在多年的探索中，燃料电池无疑是很适应当下能源体系的装置。燃料电池是一种以氢气作为主要燃料，将储存在燃料和氧化剂中的化学能不经过燃烧过程直接转换为电能的高效的发电装置^[1]。把燃料电池想象为一个车间，将燃料输送进去，就有电能输出。如果一直提供燃烧原料，电能就会不停的输出。燃料电池与日常生活中使用的电池的不同在于：1普通电池中参加电化学反应的是固态的反应物，而燃料电池的是气态的；2燃料电池可以连续工作很长时间，不需要换新或者进行充电；3燃料电池只是一个转化元件。