燃料电池是将燃料的化学能直接转化成电能的装置。燃料电池由于具有效率高，无污染，重量轻等优点，可作为便携式电子产品的小型电池，也可应用于小型集中供电或分但是供电系统，被称为21世纪的绿色保护能源，目前收到世界各国的重视，被列入未来世界十大科技之首。而质子交换膜燃料电池是应用最广，当前最受重视的一种燃料电池。

质子交换膜燃料电池堆通过将一组单元电池串联组装以构造出期望的功率输出而构建。对于典型的单元电池的板框设计，流体（分别为阴极和阳极的加湿空气和氢气，以及阳极和阴极之间的冷却剂）通过其单元电池中的它们自己的端口进入和离开。燃料电池堆的集管是由单元电池的这些端口形成的导管。气体集管的主要功能是将空气和燃料输送到系统中，并去除水和废液混合物。对于阴极通道，空气通过与所有电池连接的公共入口集管供入电池堆并分配给单元电池。离开单个电池的废气（主要是氮气，水蒸气和残余氧气）同样通过将混合物输出堆垛的出口集管来收集。单元电池的最佳和稳定的性能需要新鲜空气的稳定供应和用于去除废气的恒定压力梯度。当所有组成电池都在均匀条件下运行时，可以实现整个电池组的最佳性能。通过电池堆的集管-单电池-集管结构，通过每个单电池的气体流量受到单元入口和出口端口之间的压力梯度的控制，这又依赖于入口和出口集管中的流场。因此，集流管中的流场结构负责维持通过电解池的稳定流动，在电解池的单元电池中均匀分配流量，以及最佳的电池堆性能和耐久性。质子交换膜燃料电池堆内部各单电池的反应气体流量均匀是保证电池堆高效、稳定运行的关键因素之一，通过仿真模拟可以获得电堆内部的压力分布以及各单电池流量分配规律，并且对于电堆流场的优化设计具有指导意义。

美国乔治亚大学的Z·Ma以及新西兰的Boersma等人对电堆进行简化，并建立了一种带节点的水力学流动阻力网络。燃料电池和CFD社区很少关注集管内的流场。一个值得注意的例外是Lebaek等人最近的工作。他详细分析了一个烟囱歧管入口处的流动情况。他们的粒子图像测速（PIV）测量和雷诺平均CFD模拟显示了入口几何形状和流量条件对水头损失的重要影响。该工作中的数值模拟使用商业流动求解器FLUENT进行。用几个RANS（k-e和k-w）湍流模型进行稳态模拟。该报告难以获得收敛性，这可能归因于在对使用时间依赖求解器的当前模拟中，揭示的具有固有的大规模不稳定性的流的稳定求解器的使用。

2. 研究的基本内容与方案

（1）基本内容：查阅关于Fluent软件在燃料电池堆建模与仿真中的应用、燃料电池性能影响因素研究方面的文献资料，了解国内外相关研究现状；采用Fluent软件建立燃料电池总管三维仿真模型；利用所建立的模型，模拟电堆中流场分布；结合Paraview展示与分析计算结果。

（2）主要目标：结合科研项目，采用计算流体力学软件Fluent建立质子交换膜燃料电池总管三维仿真模型，主旨在建立一个快速计算的方法，分析大型燃料电池电堆中的流体与电流的分布。

（3）技术方案及措施：

本次毕业设计应用Fluent软件对燃料电池总管进行仿真模拟，模拟分析电堆中的流场分布。具体措施是利用Fluent模拟软件对PEMFC进排气总管内的流体进行建模仿真，并分析各种参数，如速度，压力，电流，电压参数。结合Paraview展示与分析计算结果。通过仿真模拟可以获得电堆内部的压力分布以及各单电池流量分配规律，并且对于电堆流场的优化设计具有指导意义。

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