基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法技术

本发明专利技术公开了基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法，包括以下步骤：步骤一、根据伯努利方程计算反应物流体在管道内的压力降；步骤二、对燃料电池流场内的沿程损失进行修正，本发明专利技术根据不同的电池间存在着一定的差异性，通过本技术能够更准确的描述燃料电池堆内电池的性能，从而更精准的用于燃料电池堆的寿命预测，保证其安全、稳定、可靠的长期运行；本发明专利技术针对了燃料电池堆内的异常或故障状态进行分析，本发明专利技术针对电池的压力异常问题，基于燃料电池堆内流体分布不一致性探究堆内压力异常程度、压力异常电池数量、压力异常电池位置对燃料电池堆整体及堆内单片带来的性能及流体分布的影响。性能及流体分布的影响。性能及流体分布的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池堆分析领域，具体为基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池因其排放无污染、能量转换密度高和运行温度低的优点，受到了人们的广泛关注并逐步应用在汽车和固定电站等领域，相比于单片电池，大功率燃料电池堆膜电极活性面积更大、电池数量更多，然而，实际应用中燃料电池堆的使用寿命低是其目前面临的主要问题之一，堆内反应物气体和冷却水分布不均匀等现象使得堆内各电池输出性能存在不一致的问题，此外，燃料电池堆内部电池故障、老化等导致的异常电池对输出性能及使用寿命的影响尚未进行深入的探究，因此，分析异常电池的影响对燃料电池堆的性能和寿命具有重要意义。
[0003]燃料电池堆的输出电压模型是其运行过程中性能评估和寿命预测的常见且有效的方法，单片电池的电压模型包括热力学可逆电压、活化损耗、欧姆损耗以及浓差损耗，其中活化损耗与可逆电压与催化层反应位点的反应物浓度相关，燃料电池堆的输出电压通常为堆内单片电池的电压之和，对于燃料电池堆模型而言，通过实验的电堆输出电压辨识模型中相关参数，并且通过实验的极化曲线对模型的有效性进行验证。
[0004]但是，传统的燃料电池堆内压力异常的分析方法存在以下缺点：
[0005](1)现有燃料电池堆输出性能模型极少考虑了电池间由于反应物分布而引起的不一致性，尽管现有技术能够整体上表征燃料电池堆的输出性能并应用其预测使用寿命，但在一定程度上存在着预测不准确的缺点；
[0006](2)现有技术针对燃料电池堆内反应物分布及输出性能不一致的问题，主要构建全部为正常电池情况下的模型并进行研究，尚未考虑异常电池对燃料电池堆的输出性能及反应物分布的影响。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法，以解决上述
技术介绍
中提出的现有燃料电池堆输出性能模型极少考虑了电池间由于反应物分布而引起的不一致性，尽管现有技术能够整体上表征燃料电池堆的输出性能并应用其预测使用寿命，但在一定程度上存在着预测不准确的缺点；现有技术针对燃料电池堆内反应物分布及输出性能不一致的问题，主要构建全部为正常电池情况下的模型并进行研究，尚未考虑异常电池对燃料电池堆的输出性能及反应物分布的影响的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、根据伯努利方程计算反应物流体在管道内的压力降：
[0010][0010][0010][0011]分叉流：
[0012]汇合流：
[0013]参数：
[0014]步骤二、对燃料电池流场内的沿程损失进行修正：考虑到燃料电池阴极侧生成物液态水对反应物传输的影响，对燃料电池流场内的沿程损失采用气
‑
液两相流乘数进行修正，
[0015]步骤三、构建包含等效电阻的流体网络模型：根据燃料电池堆内的流体传输通道，构建包含等效电阻的流体网络模型，针对网络中的每一个闭合回路，总压力降满足回路压力降为零，以U型流配置为例，将式(10)的回路压力降改写为与流速相关的表达式：
[0016][0017]步骤四、根据质量守恒定律简化回路压降表达式中流速变量的数量：流体网络中的分叉流、汇合流的节点处满足基尔霍夫定律，Q(i)＝Q(i+1)+Q
c
(i)(12)，将网络中的部分回路简化为子系统以便于计算，对于含n片电池的燃料电池堆，第i片电池对应的歧管处进出口满足的关系为流体流动中，流速与流量的关系如下：结合式(11)
‑
式(14)，可以将部分流体的流速简化为：和和
[0018]步骤五、构建燃料电池输出电压的半经验模型：对于单片燃料电池而言，其输出电压表达式为：U＝E
rev
‑
η
act
‑
η
ohm
‑
η
conc
(17)，可逆电压通过能斯特方程表示：活化损耗的经验表达式为：η
act
＝a1+a2T+a3T ln(C
oxy
)+a4T ln(j+j
leak
)(19)，欧姆损耗的经验表达式为：浓差损耗的表达式为：式(18)和(19)中，气体反应物浓度与压强的关系满足亨利定律：反应物在多孔介质的传输过程中，阳极侧为氢气和水蒸气的二元扩散，服从费克定律：阴极侧气体则包括氧气、氮气及水蒸气，为多元扩散，其扩散过程满足麦克斯韦
‑
斯蒂芬公式：反应气体在燃料电池流场的传输中，氧气分压与过量系数具有如下的经验关系：
燃料电池堆的电压表达式为：
[0019]步骤六、采用迭代方法求解流体网络模型中的流速值：采用迭代方法求解步骤一至步骤四构建的流体网络模型中的流速值，根据式(11)
‑
(16)，将回路压降简化为仅包含三个歧管流速变量的表达式，并以此作为迭代方程：H(i)[Pa]＝h1(u(i
‑
1))+h2(u(i))+h3(u(i+1))(27)，采用牛顿
‑
拉夫逊法进行迭代求解，迭代过程中，速度修正量的表达式为：
[0020]含n片电池的燃料电池堆内部包含n
‑
1个闭合回路，其回路压降表达式的方程组可表示为：
[0021]由此，速度修正量的与回路压力降的矩阵表达式可表示为：J
△
u＝H(30)，其中，J为(n
‑
1)xn阶的雅可比矩阵，表达式为：
[0022]修正后的速度表达式为：u
′
＝u
‑△
u(32)；
[0023]步骤七、编写求解方法的代码并实现迭代计算，直至误差满足精度需求：编写求解方法的代码并实现迭代计算，直至误差满足精度需求；
[0024]步骤八、带入燃料电池堆参数：带入燃料电池堆参数；
[0025]步骤九、实验极化曲线与仿真数据验证，实验压力降与仿真压力降验证：实验极化曲线与仿真数据验证，实验压力降与仿真压力降验证；
[0026]步骤十、了解正常情况下燃料电池堆内部的流体分布及电池输出电压分布：正常情况下燃料电池堆内部的流体分布及电池输出电压分布，可以观察到堆内电池间压力、电压并非均匀分布，电压最大值与最小值有接近6mV的差异，压力极值接近0.15bar；
[0027]步骤十一、构建电池压力异常模型并设定异常电池数量：考虑到实际运行过程中流道水淹、材料脱落等可能导致流道参数发生变化，从而引起压力异常问题，构建电池压力异常模型并设定异常电池数量，重复步骤一至步骤八，压力异常模型表示为沿程损失的增加，表达式如下：
[0028]步骤十二、比较异常情况与正常情况下燃料电池堆输出性能与总压力降：比较异常情况与正常情况下燃料电池堆输出性能与总压力降，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于流体网络模型分析燃料电池堆内压力异常的分析方法，包括以下步骤，其特征在于：步骤一、根据伯努利方程计算反应物流体在管道内的压力降：ρ∑h
f
[Pa]＝
△
P
fl
+
△
P
lc
ꢀꢀ
(2)、分叉流：汇合流：参数：步骤二、对燃料电池流场内的沿程损失进行修正：考虑到燃料电池阴极侧生成物液态水对反应物传输的影响，对燃料电池流场内的沿程损失采用气
‑
液两相流乘数进行修正，步骤三、构建包含等效电阻的流体网络模型：根据燃料电池堆内的流体传输通道，构建包含等效电阻的流体网络模型，针对网络中的每一个闭合回路，总压力降满足回路压力降为零，以U型流配置为例，
将式(10)的回路压力降改写为与流速相关的表达式：步骤四、根据质量守恒定律简化回路压降表达式中流速变量的数量：流体网络中的分叉流、汇合流的节点处满足基尔霍夫定律，Q(i)＝Q(i+1)+Q
c
(i)(12)，将网络中的部分回路简化为子系统以便于计算，对于含n片电池的燃料电池堆，第i片电池对应的歧管处进出口满足的关系为流体流动中，流速与流量的关系如下：结合式(11)
‑
式(14)，可以将部分流体的流速简化为：和和步骤五、构建燃料电池输出电压的半经验模型：对于单片燃料电池而言，其输出电压表达式为：U＝E
rev
‑
η
act
‑
η
ohm
‑
η
conc
ꢀꢀꢀꢀ
(17)，可逆电压通过能斯特方程表示：活化损耗的经验表达式为：η
act
＝a1+a2T+a3Tln(C
oxy
)+a4Tln(j+j
leak
)
ꢀꢀꢀꢀ
(19)，欧姆损耗的经验表达式为：浓差损耗的表达式为：式(18)和(19)中，气体反应物浓度与压强的关系满足亨利定律：反应物在多孔介质的传输过程中，阳极侧为氢气和水蒸气的二元扩散，服从费克定律：阴极侧气体则包括氧气、氮气及水蒸气，为多元扩散，其扩散过程满足麦克斯韦
‑
斯蒂芬公式：反应气体在燃料电池流场的传输中，氧气分压与过量系数具有如下的经验关系：
燃料电池堆的电压表达式为：步骤六、采用迭代方法求解流体网络模型中的流速值：采用迭代方法求解步骤一至步骤四构建的流体网络模型中的流速值，根据式(11)
‑
(16)，将回路压降简化为仅包含三个歧管流速变量的表达式，并以此作为迭代方程：H(i)[Pa]＝h1(u(i
‑
1))+h2(u(i))+h3(u(i+1)) (27)，采用牛顿
‑
拉夫逊法进行迭代求解，迭代过程中，速度修正量的表达式为：含n片电池的燃料电池堆内部包含n
‑
1个闭合回路，其回路压降表达式的方程组可表示为：由此，速度修正量的与回路压力降的矩阵表达式可表示为：J
△
u＝H
ꢀꢀꢀꢀ
(30)，其中，J为(n
‑
1)xn阶的雅可比矩阵，表达式为：修正后的速度表达式为：u
′
＝u
‑△
u
ꢀꢀꢀꢀ
(32)；步骤七、编写求解方法的代码并实现迭代计算，直至误差满足精度需求：编写求解方法的代码并实现迭代计算，直至误差满足精度需求；步骤八、带入燃料电池堆参数：带入燃料电池堆参数；步骤九、实验极化曲线与仿真数据验证，实验压力降与仿真压力降验证：实验极化曲线与仿真数据验证，实验压力降与仿真压力降验证；步骤十、了解正常情况下燃料电池堆内部的流体分布及电池输出电压分布：正常情况下燃料电池堆内部的流体分布及电池输出电压分布，可以观察到堆内电池间压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪霞，蒋宇，黄磊，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：