一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法技术

本发明专利技术提供一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，包括以下步骤：1.建立质子交换膜燃料电池三维阴极流场模型；2.在相应的运行参数下对模型进行模拟分析，并得出各单影响参数的数据变化值；3.分别提取数据中相应位置的努塞尔数及压降数据值；4.将步骤1～3中的结果按给定公式进行计算分析，得出模型PEC数值；5.通过分析各燃料电池三维阴极流场模型的PEC数据，综合整体评价电池的传质性能。本发明专利技术方法从宏观层次来评价电池传质性能，简单有效反映出主要影响因素综合性对电池性能的影响，计算方便，结果可用于指导流场选型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法
本专利技术属于燃料电池传质性能评价领域，具体涉及一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法。
技术介绍
PEMFC(质子交换膜燃料电池)具有低噪声，无污染，能量转换效率高，可靠性好等诸多优点，被公认为是清洁、高效的绿色环保能源，各国都在注重研发大面积、高电流密度下的PEM燃料电池，PEM燃料电池的流场设计是影响电池性能的关键因素之一，流场结构决定反应物与生成物在流场内部流动状态，影响着电池的传质性能以及电池长期运行的稳定性。合理的流场能均匀分配电池所需燃料与氧化剂，保证传质均匀；同时将电池生成的水随尾气及时顺利地排出。PEM燃料电池工作在高电流密度时，不合理的流场结构往往导致传质变差，电池性能下降。然而，对于分析与评价PEM燃料电池流场设计和电池传质性能也有诸多种类，从最初的单因素分析如燃料电池的运行参数(工作温度，进气量，过量系数等)，结构参数(流道长度，宽度，岸宽等)，逐步转化为对数学模型的分析(由一维模型逐步转化为三维模型)，但对于燃料电池传质性能的评价大多通过流道中氧气摩尔浓度值或者通过电池的伏安特性曲线来反映，仅通过分析氧气浓度值来评价电池的传质性能，难以全面综合评价出各因素对电池性能的影响，此举属于以偏概全，又如通过电池的电压值高低来判定其电池模型的传质性能，此举相对更复杂，必须计算出各不同电流密度下电池的电压值结果才能得知电池的伏安特性曲线，本专利技术方法在所述基础上较为全面的评价电池的传质性能，计算简单方便，结果可靠，通过分析出PEC(PerformanceEvaluationCriterion)数值变化特性，从宏观层次来分析出传质增强效果与传质阻力间的关系，本专利技术简化了PEM燃料电池三维阴极流场模型的计算过程，实用性强。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，包括以下步骤：步骤1、建立质子交换膜燃料电池三维阴极流场模型；步骤2、在相应的运行参数下对模型进行模拟分析，并得出各单影响参数的数据变化值；步骤3、分别提取数据中相应位置的努塞尔数及压降数据值；步骤4、将步骤1～3中的提取的数据按公式(1)进行计算分析，得出PEC数值；其中，Nu是质子交换膜燃料电池模型中努塞尔数；Nu0是质子交换膜燃料电池模型中努塞尔数基准值；f是质子交换膜燃料电池模型中进出口压降差值；f0是质子交换膜燃料电池模型中进出口压降差基准值；步骤5、分别作出各燃料电池三维阴极流场模型的PEC数据表，综合整体评价电池的传质性能。所述步骤1中建立三维质子交换膜燃料电池模型具体流程为：首先在建模软件中按设计尺寸建立模型，划分流场内各区域并按实际情况进行模型内线、面、空间的定义；再进行网格划分，定义边界条件，网格建模过程完成后，输出.mesh文件类型，导入fluent进行分析。所述步骤2中相应的运行参数指在在fluent软件中特定的PEMFC模块下模拟分析三维燃料电池模型需要设置的若干参数。所述步骤3中为了分析燃料电池的传质性能，在燃料电池的阴极流道及扩散层中提取数据，本步骤在fluent中直接提取阴极流道沿传质方向的努塞尔数及进出口压降变化值。所述步骤4中公式(1)的建立过程为：在对流传热传质问题中，已知Nu＝CRemPr1/3，考虑到平板形状的对流传热传质，取系数C＝0.664，即得Nu＝0.664Re1/2Pr1/3，对于流体流动为层流，雷诺数较小，常用Nu/Pr1/3来表征对流传热传质，为了进一步考虑流体流动阻力对传质性能的影响，考虑到压降对传质阻力的影响，进出口压降差异大，表明气流速度变化大，流动阻力变化大，因此通过相似原理用Nu/f1/3来分析其对传质性能的影响，综合考虑对流传质传热强度与流动阻力间的关系，宏观观察出不同的阴极流场形状传质性能是否得到提升。所述步骤5中具体评价方式为由前述步骤建模-模拟计算-提取数据-计算数据得出PEC指标值后，对由各模型计算得到的PEC指标值进行分析，以三维阴极直流场为基准取其PEC数值为1，分别计算得出其余模型的PEC相对参考值，PEC数值越大，代表传质更明显。所述步骤5评价结束后，进一步由三维燃料电池模型的伏安特性曲线图来验证PEC评价指标的准确性，具体步骤为：由建立好的燃料电池三维阴极流场模型，在对应的参数下对fluent中的PEMFC模块进行模拟分析，得出各电流密度下相对应的电压值，导出ASCII文件格式，在origin中进行后处理分析，得到各模型相对应的电压-电流特性曲线，分析所得结果来评价哪种模型的传质性能相对更优，若结果与PEC计算分析所得的结果一致，表明通过PEC评价指标来指导宏观的流场选型的准确性。本专利技术具有如下优点：本专利技术对电池的传质性能从宏观层次来评价，比较出传质增强效果与传质阻力间的关系，观察其燃料电池三维阴极流场模型的传质性能是否得到提升，通过一个评价指标来替代多影响因素来分析模型的传质性能，计算简单方便，结果可靠，且适用于多种不同的燃料电池系统，实用性强，可用于指导流场选型。传统评价传质性能通常只注重考虑氧气摩尔浓度，PEC评价指标综合考虑了努塞尔数与压降差对传质性能的影响，而努塞尔数表示着对流换热强度的一个指数，压降差别越大表明进出口气流流速差异大，进出口的传质速度变化大，说明气流在流道内的流动阻力大，一个指标分析出传质增强的效果与传质阻力两者综合影响因素对电池性能的影响。附图说明图1为质子交换膜燃料电池多孔阴极流场三维模型结构图；图2为质子交换膜燃料电池新型阴极流场三维模型结构图；图3为质子交换膜燃料电池阴极直流场三维模型结构图；图4为质子交换膜燃料电池不同阴极流场结构氧气摩尔浓度图；图5为质子交换膜燃料电池不同阴极流场结构电池性能特性曲线图。其中：1-集流板，2-阴极流道，3-扩散层，4-阳极流道，5-催化层，6-质子交换膜，7-分流道，8-主流道，9-多孔层。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明，步骤1、建立三维质子交换膜燃料电池阴极流场模型，具体建模过程为：首先在建模软件fluent中按照质子交换膜燃料电池阴极流场三维图纸建立模型，在模型中划分定义阴极流道2，集流板1，扩散层3，催化层5，质子交换膜6等，阳极部分与阴极一一对应，阳极流道为统一直流道形状(便于统一变量，简化模型，对结果无影响)；再进行网格划分，定义边界条件，需定义出阴极集流板的顶部为wall类型(几何外边界)，阴极流道设置为质量流量进口、压力出口，阳极流道设置为质量流量进口、压力出口，阳极阴极集流板的顶部为wall类型(几何外边界)，同时对各个体依次定义为集流板，阴极流道，扩散层，催化层，质子交换膜，网格建模过程完成后，输出.mesh文件类型，导入fluent进行分析。本专利技术实施例建立了三种模型，建模后可得出如图1-3所示的三种模型图。步骤2、在相应的参数下模拟燃料电池反应的进行，可得出各影响因素如氧气摩尔浓度的数据值，如图4所示，具体参数设置如表1所示；评价燃料电池三维模型的传质性能主要是通过各单影响参数的数据变化值如氧气摩尔浓度，速度，压力等来分别评价，随着模拟反应的进行，氧气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立质子交换膜燃料电池三维阴极流场模型；步骤2、在相应的运行参数下对模型进行模拟分析，并得出各单影响参数的数据变化值；步骤3、分别提取模拟软件数据中相应位置的努塞尔数及压降数据值；步骤4、将步骤1～3中提取的数据按公式(1)进行计算分析，得出模型对应的PEC数值；

【技术特征摘要】
1.一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立质子交换膜燃料电池三维阴极流场模型；步骤2、在相应的运行参数下对模型进行模拟分析，并得出各单影响参数的数据变化值；步骤3、分别提取模拟软件数据中相应位置的努塞尔数及压降数据值；步骤4、将步骤1～3中提取的数据按公式(1)进行计算分析，得出模型对应的PEC数值；其中，Nu是质子交换膜燃料电池模型中努塞尔数；Nu0是质子交换膜燃料电池模型中努塞尔数基准值；f是质子交换膜燃料电池模型中进出口压降差值；f0是质子交换膜燃料电池模型中进出口压降差基准值；步骤5、分别作出各燃料电池三维阴极流场模型的PEC数据表，综合整体评价电池的传质性能。2.如权利要求1所述的一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，其特征在于：所述步骤1中建立三维质子交换膜燃料电池模型的具体流程为：首先在建模软件中按设计尺寸建立模型，划分流场内各区域并按实际情况进行模型内线、面、空间的定义；再进行网格划分，定义边界条件，网格建模过程完成后，输出.mesh文件类型，导入fluent进行分析。3.如权利要求1所述的一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，其特征在于：所述步骤2中相应的运行参数指在在fluent软件中特定的PEMFC模块下模拟分析三维燃料电池模型需要设置的若干参数。4.如权利要求1所述的一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方法，其特征在于：所述步骤3中为了分析燃料电池的传质性能，在模拟软件fluent中直接提取阴极流道沿传质方向的努塞尔数及进出口压降变化值。5.如权利要求1所述的一种基于PEMFC三维阴极流场传质性能的评价方...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡永华，朱宇烽，陈明韬，石英，方舟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42