摘 要

本文研究了质子交换膜燃料电池的热管理，将质子交换膜燃料电池的冷却板作为研究对象，设计简化了不同的冷却流道，建立了几个传热的数学模型，计算得出燃料电池冷却时所需要的冷却水流量，得出CFD分析时所需要的边界条件，利用ANSYS CFD模块软件对其进行了数值模拟分析，得出了在不同情况下不同流道的冷却效果，并据此提出优化方案加以对比分析。

本文采用了三维造型软件CATIA，利用CATIA建立了不同冷却板的三维模型，将三维模型导入ANSYS MESH网格划分模块进行了网格划分，随后将其导入ANSYS FLUENT中进行了仿真模拟，最后利用ANSYS CFD对计算结果进行了后处理，分别得到优化前与优化后冷却流场特性，将结果进行对比，得出最优的冷却流道设计。

关键词：冷却流道；FLUENT；仿真模拟。

ABSTRACT

In this paper, the thermal management of proton membrane fuel cell is studied. The cooling plate of proton membrane fuel cell is taken as the object of study. The different cooling runner is designed and several mathematical models of heat transfer are established. The required cooling conditions, the required boundary conditions for the CFD analysis, the numerical simulation of the ANSYS CFD module software, and the cooling effect of the different flow channels under different conditions, and then proposed the optimization Program to be compared.

In this paper, three-dimensional model of different cooling plates is established by using CATIA, and the 3D model is introduced into the ANSYS MESH meshing module. The simulation is carried out by ANSYS FLUENT. Finally, ANSYS CFD-Post is used to post-process the calculated results, and the characteristics of the cooling field are optimized before and after optimization. The results are compared and the optimal cooling runner design is obtained.

Key words: cooling flow channel; FLUENT; simulation.

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 2

1.3 本文研究内容 3

第2章 燃料电池热分析 4

2.1 燃料电池热管理要求 4

2.2 燃料电池热源分析 4

2.3 燃料电池堆热量的散发 5

2.4 冷却水流量的计算 6

2.5 本章小结 6

第3章 质子交换膜燃料电池冷却流道分析 8

3.1 燃料电池冷却流道模型 8

3.1.1 冷却板中的几何模型 8

3.1.2 设计要求 10

3.2 基本的流体力学模型 10

3.2.1 质量守恒定律 11

3.2.2 动量守恒方程 11

3.2.3 能量守恒方程 11

3.3 本章小结 12

第4章 冷却流道的CFD分析 13

4.1 边界条件的计算及计算方案 13

4.2 流量对于冷却效果的影响 14

4.2.1 流量对于冷却板表面最高温度的影响 14

4.2.2 冷却板对于温度分布的影响 15

4.3 进口流速对于进出口压降的影响 16

4.4优化冷却板 17

4.5总结 19

第5章 总结与展望 20

5.1总结 20

5.2展望 20

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

现如今，随着科技生产不断发展，作为工业时代的现在，能源的需求量在不断加大，传统的化石能源随着不断的开采已经逐渐趋向于消耗殆尽的状态，新生的例如风能、潮汐能、太阳能、核能甚至是生物化学能又受到了各种条件的限制，难以的到广泛有效的利用^[1]。在常用的能源中，由于各种限制，作为二次能源中的电能成为了代替各种能源的“公共货币”。然而，目前大规模生产电能的方法又受到了很大的限制，此时，作为一种清洁高效的化学能源氢能源，成为了众多研究方向中最有潜力的一个方向。

氢的获取非常简单，在基础化学如此发达的今天，只需要简单的电解就能取得大量高纯度的氢气，然而在过去，氢气常常作为一种燃料进行利用，作为燃料，就避免不了热力学三大定律，其中的，氢的利用永远摆脱不了卡诺循环，其利用率实在过低，然而，将燃料氢利用电化学进行使用，这样就可以避免了卡诺循环的限制，能够将氢中的化学能得到合理的利用，提升其燃料利用率到40%^[2]以上。然而在不断的尝试与发展中，研究者们发现，燃料电池，逐渐成为了氢能生产使用的新宠。

燃料电池，是目前利用氢燃料非常行之有效的方法，它使用电化学的方法，能将氢燃料中的化学能变成电能。在燃料电池中，化学能将会反应将产生水和热量，然而，由于技术的限制，目前燃料电池的工作效率很低，在正常工作下效率仅为1/2左右，这表明了其实在燃料电池中其产生的热量和其能够输出的功率是相等。所以，燃料电池排出的热量很大，通过特殊的冷却方式来避免电池组温度过高成了燃料电池必须面对的一个难题。在此同时，又因为燃料电池的表面温度过低会影响到燃料电池的正常工作，所以为了使燃料电池堆能够正常地工作运转，高效稳定的运行又是必不可少的条件。由于以上的众多原因，燃料电池的热管理成为燃料电池设计中不可或缺的一部分。在热管理之中，设计合适的冷却流道十分重要。

在燃料电池的管理中，设计燃料电池流道是十分重要，所以可以通过CATIA设计出模拟仿真的冷却流道，然后通过有限元分析，通过ANSYS ICEM的模块划分网格，然后导入fluent，进行CFD模拟分析的方法模拟出不同流速下冷却流道的冷却与传热，建立数学模型，设计计算得出边界条件，通过数学模型的优化分析，设计计算出最适合的燃料电池冷却流道。