摘 要

能源的研究与发展是全世界公认紧紧关系到当今社会和经济发展的命脉。传统能源的发展与应用正在面临危机。燃料电池以它本身所具有的高效、清洁、零污染、没有震动与噪声的优势已经引起了众多国家政府以及公司的关注。燃料电池已经被认为是21世纪发展的能源之中最具有清洁高效的发电技术。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。

本文设计结合科研项目，利用MATLAB算法软件，计算不同负载情况下，进气流量、水流量及蒸发温度的具体参数，同时利用FLUENT仿真软件对所得结果进行仿真分析。利用MATLAB软件关于在优化计算、解析求解中的应用，列出关于质子交换膜燃料电池加湿器设计相关的目标方程式并利用MATLAB软件进行求解。根据MATLAB软件计算的结果，同时利用FLUENT仿真软件对所得结果进行仿真分析。所得结果为大功率燃料电池测试台加湿器控制系统设计提供理论依据，并且对于燃料电池测试台加湿器控制系统的优化设计具有指导意义。

论文主要研究了在不同负载情况下，质子交换膜燃料电池加湿器最佳的反应气体的相对湿度，通过仿真计算可以得到进气流量、水流量及蒸发温度的具体参数。

研究结果表明：质子交换膜燃料电池加湿器的设计需要考虑空气加热对水蒸汽温度的影响。质子交换膜燃料电池功率与进气量关系，反应气体相对湿度对加湿量的影响等。

本文的特色：利用MATLAB算法软件，求解了不同负载情况下，进气流量、水流量及蒸发温度的具体参数，为大功率燃料电池测试台加湿器控制系统设计提供理论依据。

关键词：质子交换膜燃料电池；加湿器；加湿器控制系统；加湿量

Abstract

Energy research and development is recognized worldwide as a lifeline that is closely related to today’s social and economic development. The development and application of traditional energy is facing a crisis. The fuel cell has attracted the attention of many governments and companies due to its advantages of high efficiency, cleanliness, zero pollution, and no vibration and noise. Fuel cells have been regarded as the most clean and efficient power generation technology among the energy sources developed in the 21st century. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has the characteristics of high efficiency, high power density, fast start and zero emission, and has become one of the power plant options for new energy vehicles in recent years.

This paper designs and combines scientific research projects, uses MATLAB algorithm software to calculate the specific parameters of intake air flow, water flow and evaporation temperature under different load conditions, and uses FLUENT simulation software to simulate the results. Using MATLAB software for application in optimization calculation and analytical solution, list the target equations related to the design of proton exchange membrane fuel cell humidifier and use MATLAB software to solve. According to the calculation results of MATLAB software, FLUENT simulation software is used to simulate and analyze the obtained results. The results obtained provide a theoretical basis for the design of the humidifier control system of the high-power fuel cell test bench, and have a guiding significance for the optimal design of the humidifier control system of the fuel cell test bench.

The thesis mainly studies the relative humidity of the optimal reaction gas of the proton exchange membrane fuel cell humidifier under different load conditions, and the specific parameters of the intake air flow, water flow and evaporation temperature can be obtained through simulation calculation.

The research results show that the design of proton exchange membrane fuel cell humidifier needs to consider the effect of air heating on water vapor temperature. The relationship between the power of the proton exchange membrane fuel cell and the intake air amount, the effect of the relative humidity of the reaction gas on the humidification amount, etc.

The characteristics of this article: MATLAB algorithm software is used to solve the specific parameters of the intake air flow, water flow and evaporation temperature under different load conditions, which provides a theoretical basis for the design of the humidifier control system of the high-power fuel cell test bench.

Key Words: Proton exchange membrane fuel cell; humidifier; humidifier control system; humidification capacity

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 研究目的 2

1.3国内外研究现状 3

1.4 研究内容 4

第2章PEMFC加湿分析 5

2.1燃料电池加湿器概述 5

2.1.1自增湿 5

2.1.2内增湿 5

2.1.3外增湿 6

2.2质子交换膜燃料电池加湿的必要性 6

2.3质子交换膜燃料电池加湿的影响因素 7

2.3.1气体参数对加湿的影响 8

2.3.2阴极与阳极加湿对燃料电池的影响 9

第3章 PEMFC焓轮加湿器设计 11

3.1 PEMFC加湿器设计目标 11

3.2 空气侧加湿设计 11

3.3 反应温度对加湿设计的影响 17

3.3反应生成水分的再利用 21

第4章 FLUENT建模和结果分析 23

4.1 FLUENT介绍 23

4.1.1 FLUENT概述 23

4.1.2 FLUENT计算方法 23

4.2 模型原理介绍 23

4.2.1湍流模型简介及选择 23

5.2.2湍流模型计算原理 24

4.3几何模型与网格划分 24

4.4 FLUENT设置 25

4.5 FLUENT结果分析 27

第5章 结论与展望 37

参考文献 38

致谢 40

附录......................................................................................................................................................................41

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

能源、材料、信息是紧紧围绕当今世界发展与机遇最主要的三个关键词。而能源的研究与发展更是全世界公认紧紧关系到当今社会和经济的命脉^[1]。我们的日常生活，平时工作，学习进步，经济发展，社会福利等等都是需要依靠着充足并且完善连续的能源供给。但是近年来随着经济社会的不断发展，全世界对于能源的需求与依赖进一步增长与扩大，当今世界的能源供给体系正在面临着艰难而严峻的挑战。首先从目前来看全世界所依赖程度最大的最主要的传统能源形式依然还是石油能源。其次就是分别位居第二位以及第三位的煤炭能源以及近年来逐渐开发发展的天然气能源。在这三者之中，位居第一位的石油能源以及位居第三位的天然气能源根据近些年以来的勘探数据显示这两者的储存含量还是较为有限的，有众多研究机构指出石油和天然气很有可能会在21世纪中叶就会面临日趋枯竭的局面。然而按照目前世界未来经济发展的趋势，我们还是无法避免高度的依赖石油能源以及天然气能源的利用和开发。世界未来30余年的经济发展，并不能避免石油和天然气的利用。人类的社会发展到今天，所能够利用到的，绝大部分的能量的转化都是通过热能机械过程进行实现的。然而由于热机工作过程中受到的卡诺循环的结构限制，热能机械它的转化效率不高，能量利用率低，从而形成了严重的能源浪费。人类采用热能机械工作这一行为，在他的工作过程中会造成大气、水源以及土壤等的严重污染。人类社会自从20世纪以来所建立起来的越来越更加庞大的能源供给体系从目前看来已经逐步无法适应人类对未来社会所提出来的对于能源供给与利用需求。因此，人类对于要求新生清洁能源的开发与利用的呼声愈来愈高。

燃料电池作为一种能量转化装置，它可以直接通过电化学反应将氢气中的化学能直接转化为可以利用的电能，并且它的产物只有水。正因如此，燃料电池以它本身所具有的高效，清洁零污染没有震动与噪声的优势特点已经在世界各国范围内引起了众多国家政府以及公司的广泛关注。燃料电池已经被认为是21世纪发展的能源之中最具有清洁高效的发电技术^[2]。