因为许多参数影响燃料电池的运行特性，对于最优组合的探寻是非常困难的。在这一方面，数学建模方法被广泛地应用于燃料电池研究和开发，以实现从预测到设计迭代开展各种分析。然而，预测模型只有当被实验证明后才可用。

在不同程度的建模中，支持堆栈研发的电池和堆栈模型引起了特别的关注。在本部分，讨论限定于标准的计算流体动力学(CFD)分析和通用34电池堆栈的严格的电化学。标准方法包含解决质量和动量守恒(Navier-Stokes)，以及能量、种类和电荷传输现象的控制方程。化学和电化学反应动力学也包含其中来评估输运方程必要的源或汇的条件。具有商业价值的计算流体动力学软件包被用来解决输运方程^［21］的耦合设置。关于多物理模型的细节解释，因超出本章范畴，将在其他部分进行阐述^{［22，23］}。

计算区域(见图9.16)通过生成整个堆栈的网格而生成。由于不同的尺度和堆栈轴，网格优化被完成来实现数值结果独立于网目尺寸。

图9.16 制备一般电堆的计算范围

在燃料歧管进气口，气态物质浓度被明确为650℃时，煤气重整的平衡组成。在该稳态分析中，蒸气与碳的比例保持为3.06。燃料和空气歧管进气条件见表9.5。混合对流和辐射热传递的边界条件应用于堆栈的端面，以准确地模拟热交换和设备组件的平衡。另一方面，上下表面与已知的热流值分配。所有的外表面保持零电流，除了标记为“电压分解”和“插口灯座”，对于上述两者被分配给了确定的电流值(29.95A，根据72.5％的燃料使用率)。电压分解位于接地电位。该型号的特性见表9.6。

表9.5 一般电堆模拟的独立变量

表9.6 一般电堆模拟用的物理性质

图9.17显示了沿着标记为1＃、9＃和17＃电池的辐射轴的物质浓度分布。尽管估计的这三种电池的中心温度是大不相同的，气体浓度仍保持一致，显示出歧管能够作用于稳定堆栈的气动力学。此外，该模型成功地捕获了电池阳极顶部耗尽燃料流中气体的反向扩散现象。甲烷在电池上部经历了原位蒸气转化过程，并且在电池半径2/3处进行了100％的转化。

堆栈的表层温度分布如图9.18所示。空气的冷却效果比燃料的冷却效果更显著。因为堆栈在上下表层和靠近散热器盘的表层失去额外热能，所以在前后表层不可避免的存在热点。另一方面，在靠近标记为9＃和26＃的电池(见图9.19)分隔板中心最高温度达到800℃。(www.daowen.com)

图9.17 所选电池上的气相物质的浓度

图9.17 所选电池上的气相物质的浓度(续)

图9.18 一般电池堆表面的温度分布(单位为℃)

图9.20显示了标记为1＃、9＃、17＃、18＃、26＃和34＃电池的电流密度分布。电流密度在每个电池的表面呈现钟形图。最高温度下，在电池中心的最大电流密度达到0.6A/cm²。另一方面，计算平均电池电位为0.785V。

图9.19 所选电池(图9.19a)和所选分离器(图9.19b)上的温度分布(单位为℃)

图9.20 一般堆栈中所选电池的电流密度分布(单位为A/m²)