本发明专利技术公开了一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，包括锥形进口管、进气歧管、孔板、气体通道、出气歧管、锥形出口管，所述进气歧管内部设有矩形空腔，所述孔板位于矩形空腔中间处，所述锥形进口管后径与进气歧管左端面相连接，进气歧管右端面与气体通道入口相连接，气体通道右端与出气歧管左端相连接，出气歧管右端与锥形出口管前径相连接。本发明专利技术采用上述一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，可以有效提高气体流动均匀性，同时控制压降保持在一定范围内，可以有效降低进口管通入的气体主流束的速度大小，改变进气歧管内部压力分布，加工制造简单。加工制造简单。加工制造简单。
【技术实现步骤摘要】
一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置及其设计方法
[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其是涉及一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置及其设计方法。
技术介绍
[0002]一个SOFC单电池仅能提供0.5
‑
1V的电压，将单电池通过相互串联连接形成具有高功率输出的固体氧化物燃料电池堆。为获得最优的输出性能，对于电堆中各单电池之间的气体分布有良好的一致性要求，从而保证电堆内部的传热、传质和电化学反应能够正常进行，确保电堆内部的温度、各部件所受热应力均匀，保障电堆提供更高的功率输出和使用寿命。
[0003]为满足电堆内气体分布均匀性的要求，传统的SOFC电堆结构大多采用外部歧管的方式向电堆各个单电池气体通道内部输送气体，存在以下问题：一、气体进口管与进气歧管直接连接，进气速度太大，在进气歧管中心区域压力最大，导致进气歧管内部压力分布不均匀，并且进气歧管和出气歧管内压力变化不一致，在进气歧管与出气歧管的中心区域存在最大压差，影响气体平均分配。二、为优化进气歧管内流场分布和气体流动，多在歧管内部加入规则排列的陶瓷球或矩形挡板来提高气体流动均匀性，但这些结构需要金属网或十字形支撑架来固定，结构复杂，加工制造难度大。三、在对电堆歧管内流场的研究中，只关注结构改变对气体流动均匀性的提高效果，忽略了对压降的影响。四、在数值模拟研究中多使用多物理场耦合模型，考虑传热、传质、能量、温度及电化学反应等多方面的反应情况，对于计算资源的需求量是非常大的，并且更加关注电堆电化学性能的提升，在建模仿真过程中时间成本非常高，无法快速且经济地进行讨论。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，可以有效提高气体流动均匀性，同时控制压降保持在一定范围内，可以有效降低进口管通入的气体主流束的速度大小，改变进气歧管内部压力分布，加工制造简单。本专利技术的另一个目的是提供一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置的设计方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，包括锥形进口管、进气歧管、孔板、气体通道、出气歧管、锥形出口管，所述进气歧管内部设有矩形空腔，所述孔板位于矩形空腔中间处，所述锥形进口管后径与进气歧管左端面相连接，进气歧管右端面与气体通道入口相连接，气体通道右端与出气歧管左端相连接，出气歧管右端与锥形出口管前径相连接。
[0006]优选的，所述孔板上分别设有多个大直径孔和小直径孔，多个所述小直径孔组成圆形阵列，且均匀分布于孔板中心处，所述圆形阵列的直径与锥形进口管后径一致，所述大直径孔均匀分布在孔板上。
[0007]优选的，所述锥形进口管的前径小于后径，所述锥形出口管的前径大于后径。
[0008]上述的一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置的设计方法，包括如下步骤：
[0009]S1、基于SOFC单电池的尺寸参数并结合单电池的数量，对锥形进口管、进气歧管、气体通道、出气歧管、锥形出口管进行参数化建模，得到电堆的三维几何模型；
[0010]S2、基于步骤S1建立的电堆模型，设定相应的物理边界条件、进口条件、出口条件和操作压力，构建仿真模型，进行网格无关性检验和参数化计算；
[0011]S3、仿真模型构建完毕后，在确定的进口流量下，分别调节固体氧化物燃料电池堆的进气歧管和出气歧管深度、进口管和出口管直径参数至设定值，分别统计在每一组不同参数条件下每一片电池出口处的质量流量大小和进出口面的平均压力，采用代表气体流动均匀性的无量纲常数和电堆进口、出口之间的压降为评判标准，对收集的数据进行数据处理，确定基础电堆模型的各部件最优结构参数；
[0012]S4、在确定基础电堆模型的各部件最优结构参数的基础上，在进气歧管内加入孔板，以孔板对气体流动均匀性的提升效果和压降的变化为标准，结合加工制造的工艺复杂程度，确定孔板的组成方式、放置位置；
[0013]S5、对步骤S4中得到的数据处理结果进行分析，确定对电堆气体流动均匀性和压降最优的几何参数值作为孔板的最优结构尺寸。
[0014]优选的，所述步骤S2中，仿真模型为气体流动模型，构建仿真模型的具体步骤包括：
[0015]a、导入步骤S1中的电堆几何模型，选取合适的气体流动控制方程；
[0016]b、定义气体及各部件材料的物性参数；
[0017]c、在固体氧化物燃料电池结构的参数化模型不同域和边界上设置对应控制方程和边界条件；
[0018]d、对模型几何结构进行网格划分，基于有限体积法对网格划分后选择计算方法，对各网格区域进行计算，求解偏微分方程得到数值解；开展网格无关性验证，根据不同网格数量下仿真结果误差确定网格数量。
[0019]优选的，所述步骤S3中，确定基础电堆模型的各部件最优结构参数的具体步骤为：
[0020]A、在确定的进口流量下，同时改变固体氧化物燃料电池堆进气歧管和出气歧管深度的大小，分别统计在不同深度下每一片电池出口处的质量流量大小和进口平面、出口平面的平均压力，以流动均匀性和压降为评判标准，对得到的数据进行统计分析，保证进气歧管右端面的平均速度大小接近进口速度，确定最优的进气歧管和出气歧管深度；
[0021]B、基于步骤A中选定的最优进气歧管和出气歧管尺寸，同时改变进口管和出口管的直径，分别统计在不同尺寸下每一片电池出口处的质量流量大小和进口平面、出口平面之间的平均压力，以流动均匀性指数小于5％为评判标准，确定最优的进口管和出口管基础直；
[0022]C、基于步骤B中的最优进口管和出口管直径，进口管前径和出口管直径保持不变，逐渐增大进口管后径，以流动均匀性和压降为评判标准，确定最优的锥形进口管后径；
[0023]D、基于步骤C中的最优锥形进口管后径，逐渐增大出口管前径，以流动均匀性和压降为评判标准，确定最优的锥形出口管前径。
[0024]优选的，所述步骤S4中，确定孔板的组成方式、放置位置的具体步骤为：
[0025](1)在步骤S3得到的最优进气歧管、出气歧管、锥形进口管、锥形出口管的基础上，
改变孔板上孔直径的大小，统计具有不同直径大小孔的孔板对电堆气体流动均匀性的提升效果，选择两种不同大小孔径的孔相互组合，将小直径孔以圆形阵列的方式布置于孔板中心位置，大直径孔在周围均匀排列；
[0026](2)为保证气体分配孔板对气体流动均匀性的提升效果，以进口管前径为基础，逐渐增大步骤(1)中小直径孔所占圆形区域的范围，根据气体流动均匀性指数变化情况，确定小直径孔所占圆形区域的最佳范围大小；
[0027](3)在步骤(2)的基础上，以进气歧管左端面为标准，改变气体分配孔板距进气歧管左端面的距离，根据气体流动均匀性和压降的变化情况，确定其最佳放置位置；
[0028](4)在步骤(3)的基础上，保证小直径孔所占圆形区域大小的直径和孔的数量不变，增大圆形阵列的间距，根据气体流动均匀性和压降的变化情况，确定小直径孔的最佳排列方式。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，其特征在于：包括锥形进口管、进气歧管、孔板、气体通道、出气歧管、锥形出口管，所述进气歧管内部设有矩形空腔，所述孔板位于矩形空腔中间处，所述锥形进口管后径与进气歧管左端面相连接，进气歧管右端面与气体通道入口相连接，气体通道右端与出气歧管左端相连接，出气歧管右端与锥形出口管前径相连接。2.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，其特征在于：所述孔板上分别设有多个大直径孔和小直径孔，多个所述小直径孔组成圆形阵列，且均匀分布于孔板中心处，所述圆形阵列的直径与锥形进口管后径一致，所述大直径孔均匀分布在孔板上。3.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置，其特征在于：所述锥形进口管的前径小于后径，所述锥形出口管的前径大于后径。4.根据权利要求1
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3任一项所述的一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、基于SOFC单电池的尺寸参数并结合单电池的数量，对锥形进口管、进气歧管、气体通道、出气歧管、锥形出口管进行参数化建模，得到电堆的三维几何模型；S2、基于步骤S1建立的电堆模型，设定相应的物理边界条件、进口条件、出口条件和操作压力，构建仿真模型，进行网格无关性检验和参数化计算；S3、仿真模型构建完毕后，在确定的进口流量下，分别调节固体氧化物燃料电池堆的进气歧管和出气歧管深度、进口管和出口管直径参数至设定值，分别统计在每一组不同参数条件下每一片电池出口处的质量流量大小和进出口面的平均压力，采用代表气体流动均匀性的无量纲常数和电堆进口、出口之间的压降为评判标准，对收集的数据进行数据处理，确定基础电堆模型的各部件最优结构参数；S4、在确定基础电堆模型的各部件最优结构参数的基础上，在进气歧管内加入孔板，以孔板对气体流动均匀性的提升效果和压降的变化为标准，结合加工制造的工艺复杂程度，确定孔板的组成方式、放置位置；S5、对步骤S4中得到的数据处理结果进行分析，确定对电堆气体流动均匀性和压降最优的几何参数值作为孔板的最优结构尺寸。5.根据权利要求4所述的一种提高燃料电池堆气体分配均匀性装置的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，仿真模型为气体流动模型，构建仿真模型的具体步骤包括：a、导入步骤S1中的电堆几何模型，选取合适的气体流动控制方程；b、定义气体及各部件材料的物性参数；c、在固体氧化物燃料电池结构的参数化模型不同域和边界上设置对应控制...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾礼超，曾勇，张文颖，颜冬，李箭，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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