一种燃料电池电堆通道结构的优化方法及其系统技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，具体公开了一种燃料电池电堆通道结构的优化方法及其系统，其中，优化方法包括步骤：构建单电池

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池电堆通道结构的优化方法及其系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池仿真优化
，特别涉及一种燃料电池电堆通道结构的优化方法及其系统。

技术介绍

[0002]燃料电池电堆运行过程中，不仅仅是单电池内部各个流道的流体分配均匀性与电池性能相关联，从电堆公共通道流入各个单电池的流体分配均匀性对电堆运行性能也有着极大地影响。单电池之间的空气和氢气流量分配均匀性差，可能造成单电池之间性能的均匀性产生巨大差异，部分单电池出现严重堵水、单低等现象，影响电堆的稳定运行和整体性能发挥。单电池之间冷却液流量分配均匀性差，可能会造成部分电池产生的热量无法及时的被带走，使得温度过高，烧坏膜电极甚至是双极板，对电堆产生严重损坏。因此，对电堆公共通道结构的优化工作至关重要。
[0003]由于电堆整堆的成本很高，且可能存在多轮的结构改动，若是采用实验的方法来进行结构的优化，花费的加工时间和费用都很大，因此设计阶段通常采用仿真的方法。整堆几何结构复杂，单电池数量动辄上百甚至超过400块，若是使用原始的三维几何模型来进行仿真计算，以目前的硬件计算资源和能力是很难实现的，加上需要多轮的优化，需要花费的时间和费用不比试验少；若是采用简化后的一维模型去仿真，计算结构的精度又难以保证。
[0004]现有申请号为2021111572038，公开号为CN114065567A的中国专利公开了一种燃料电池电堆公共歧管结构优化方法，其根据电堆结构中单电池的流场流道尺寸，利用长方体结构模拟构建单电池仿真结构，简化了有限元网格划分时单电池仿真结构的网格量，减少了仿真计算量。然而，本申请通过实际应用研究发现，现有专利仅以单电池仿真结构的流量分配不均匀度以及公共歧管仿真结构的进出口区域总压损作为优化条件，并不能对燃料电池电堆公共通道结构进行高效仿真优化。
[0005]因此，现有技术还有待于进一步改进和发展。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池电堆通道结构的优化方法及其系统，旨在解决现有燃料电池电堆公共歧管结构优化方法不能对燃料电池电堆公共通道结构进行高效仿真优化的问题。
[0007]本专利技术的技术方案如下：一种燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，包括步骤：根据燃料电池电堆的单电池几何结构构建单电池CFD数值计算模型；根据单电池与公用通道的变流通面积结构，基于所述单电池CFD数值计算模型构建单电池CFD多孔介质数值计算模型；根据燃料电池电堆的公用通道几何结构，构建电堆公用通道CFD数值计算模型；根据单电池CFD多孔介质数值计算模型和电堆公用通道CFD数值计算模型，建立单
电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型；根据所述单电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型的模拟计算结果对所述燃料电池电堆的入、出口公用通道结构进行优化，以使得所述燃料电池电堆的流量分配变异系数CV满足第一目标设计值，所述燃料电池电堆入、出口总压降满足第二目标设计值，所述燃料电池电堆中的单电池流量过量系数不均匀度满足第三目标设计值，所述燃料电池电堆中的单电池压降满足第四目标设计值；当所述燃料电池电堆的入、出口公用通道结构经过优化确定后，根据所述单电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型的模拟计算结果对所述燃料电池电堆中单电池与公用通道的变流通面积结构进行优化，以使得所述燃料电池电堆的流量分配变异系数CV满足第五目标设计值，所述燃料电池电堆入、出口总压降满足第六目标设计值，所述燃料电池电堆中的单电池流量过量系数不均匀度满足第七目标设计值，所述燃料电池电堆中的单电池压降满足第八目标设计值。
[0008]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，所述燃料电池电堆的流量分配变异系数CV按如下公式计算：，其中，为所述燃料电池电堆第i片单电池的流量；n为所述燃料电池电堆的单电池总片数，为所述燃料电池电堆各单电池的平均流量。
[0009]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，所述燃料电池电堆入、出口总压降按如下公式计算：，其中，为所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的入口平均静压值；为所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的出口平均静压值。
[0010]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，所述燃料电池电堆中的各单电池流量过量系数不均匀度按如下公式计算：，其中，为所述第i片单电池的流量过量系数；n为所述燃料电池电堆的单电池总片数。
[0011]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，所述燃料电池电堆中的单电池压
降按如下公式计算：，其中，为第i片单电池的入口静压值，为第i片单电池的出口静压值。
[0012]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，根据单电池与公用通道的变流通面积结构，基于所述单电池CFD数值计算模型构建单电池CFD多孔介质数值计算模型的步骤包括：所述单电池CFD数值计算模型包括含有流场流道结构的双极板、气体扩散层、微孔层、催化层和质子交换膜；将所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的横截面尺寸设置为所述单电池CFD数值计算模型中双极板流场流道结构的横截面尺寸；将所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的高度方向尺寸设置为所述单电池CFD数值计算模型计算模型中双极板流场流道结构的深度方向尺寸。
[0013]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，还包括步骤：对所述单电池CFD数值计算模型的不同工况，给定相应入口流量，获得相应的单电池流场压降，对单电池的计算流阻曲线进行数据分析，拟合速度与压降的函数关系式；根据所述单电池CFD数值计算模型的速度与压降的函数关系式，获得所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数。
[0014]所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其中，根据单电池CFD多孔介质数值计算模型和电堆公用通道CFD数值计算模型，建立单电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型的步骤包括：将所述单电池CFD多孔介质数值计算模型设置为多孔介质区域，将所述电堆公用通道CFD数值计算模型设置为流体区域，建立所述燃料电池电堆的单电池
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单堆CFD多孔介质数值模型。
[0015]一种存储介质，其中，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现本专利技术燃料电池电堆通道结构的优化方法中的步骤。
[0016]一种燃料电池电堆通道结构的优化系统，其中，包括：处理器、存储器及通信总线；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述通信总线实现处理器和存储器之间的连接通信；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现本专利技术燃料电池电堆通道结构的优化方法中的步骤。
[0017]有益效果：本专利技术提供了一种燃料电池电堆通道结构的优化方法，首先基于真实质子交换膜燃料电池的单电池几何结构及其与公用通道的变流通面积结构，分别建立单电池CFD数值计算模型和单电池CFD多孔介质数值计算模型；然后基于所述燃料电池电堆的公用通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池电堆通道结构的优化方法，其特征在于，包括步骤：根据燃料电池电堆的单电池几何结构构建单电池CFD数值计算模型；根据单电池与公用通道的变流通面积结构，基于所述单电池CFD数值计算模型构建单电池CFD多孔介质数值计算模型；根据燃料电池电堆的公用通道几何结构，构建电堆公用通道CFD数值计算模型；根据单电池CFD多孔介质数值计算模型和电堆公用通道CFD数值计算模型，建立单电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型；根据所述单电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型的模拟计算结果对所述燃料电池电堆的入、出口公用通道结构进行优化，以使得所述燃料电池电堆的流量分配变异系数CV满足第一目标设计值，所述燃料电池电堆入、出口总压降满足第二目标设计值，所述燃料电池电堆中的各单电池流量过量系数不均匀度满足第三目标设计值，所述燃料电池电堆中的各单电池压降满足第四目标设计值；当所述燃料电池电堆的入、出口公用通道结构经过优化确定后，根据所述单电池
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电堆CFD多孔介质数值计算模型的模拟计算结果对所述燃料电池电堆中单电池与公用通道的变流通面积结构进行优化，以使得所述燃料电池电堆的流量分配变异系数CV满足第五目标设计值，所述燃料电池电堆入、出口总压降满足第六目标设计值，所述燃料电池电堆中的单电池流量过量系数不均匀度满足第七目标设计值，所述燃料电池电堆中的单电池压降满足第八目标设计值。2.根据权利要求1所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其特征在于，所述燃料电池电堆的流量分配变异系数CV按如下公式计算：，其中，为所述燃料电池电堆第i片单电池的流量；n为所述燃料电池电堆的单电池总片数，为所述燃料电池电堆各单电池的平均流量。3.根据权利要求2所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其特征在于，所述燃料电池电堆入、出口总压降按如下公式计算：，其中，为所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的入口平均静压值；为所述单电池CFD多孔介质数值计算模型的出口平均静压值。4.根据权利要求3所述燃料电池电堆通道结构的优化方法，其特征在于，所述燃料电池
电堆中的各单电池流量过量系数不均匀度按如下公式计算：，其中为所述第i片单电池的流量过量系数；n为所述燃料电池电堆的单电池总片数。5.根据权利要求4所述燃料电池电...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛学良，刘锋，钱伟，张贝贝，林伟鹏，
申请(专利权)人：佛山市清极能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：