基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法技术

本发明专利技术公开了基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法，包括以下步骤：步骤一，建立燃料电池多物理场模型；步骤二，计算模型涉及到的等效系数；步骤三，确定边界条件约束；步骤四，模型的迭代计算；本发明专利技术结合实际的燃料电池操作条件、几何参数等，实现了跨膜方向上燃料电池内部水热参数的分布特性估计，解决了实验测试困难的问题；本发明专利技术提出了膜电极膜水含量、温度的计算及其分布的均匀性指标，为实现燃料电池在高效输出的同时并具有良好的使用寿命提供了理论依据；本发明专利技术考虑了燃料电池间性能的不一致性，分析了跨膜方向上物理参数的分布特征差异，并通过模型的方法研究了不同电池间参数的分布特性，明晰不一致性产生的机理及机理产生原因。产生的机理及机理产生原因。产生的机理及机理产生原因。

【技术实现步骤摘要】
基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体为基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法。

技术介绍

[0002]近年来，在“碳达峰、碳中和”目标的驱动下，电力能源行业积极地发展新能源(风能、太阳能、氢能、核能等)来代替化石能源(石油、天然气、煤炭)，从而减少二氧化碳排放、实现绿色可持续发展。质子交换膜燃料电池(以下称燃料电池)以其能量转换效率高、响应速度快、反应副产物无污染等优势，被广泛地认为是替代传统化石能源的一个重要清洁能源。随着技术的发展及商业化进程，大功率燃料电池堆获得了快速的发展并逐渐在交通运输领域展开应用。燃料电池内部参数的分布会影响其输出性能甚至引起异常，并且异常状态下参数的分布更容易产生故障，导致组件材料衰减，降低输出性能甚至缩减使用寿命。因此，探究并分析燃料电池内部参数扽夫，对制定相应的运行策略从而保持其高效输出及延长剩余使用寿命具有重要意义。
[0003]在现有技术中，基于模型的方法是燃料电池参数分布及性能评估常见的方法。该方法通过建立燃料电池的机理模型，并经输出电压、阻抗谱等实验数据验证模型准确性；根据模型探究燃料电池内部物理场参数的分布，通过电压响应或阻抗谱反映内部水含量等参数的变化。此外，借助仿真软件建立多维燃料电池模型来模拟燃料电池平面内及跨膜方向上的分布特征。实验检测的方法同样应用于燃料电池内部参数分布的评估。运行过程中阴阳极气体的压力降变化能够的反映其内部的水含量特征，温度测量可以大致反映内部温度。其存在以下缺陷：一是多维模型存在着仿真耗时长、计算设备要求高以及难以实验验证等不足；二是通过压力降的实验方法在表征多孔介质内液态水含量分布存在困难；对于可视化实验而言，实验测试昂贵、技术要求高、成本高是其主要缺点；三是现有技术主要通过电压监测反映燃料电池堆内电池间输出性能的不一致性，而很少考虑这些电池间内部物理场分布的差异性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法，包括以下步骤：步骤一，建立燃料电池多物理场模型；步骤二，计算模型涉及到的等效系数；步骤三，确定边界条件约束；步骤四，模型的迭代计算；步骤五，模型的网格独立性验证；步骤六，实验验证模型的准确性；步骤七，内部参数分布特性分析；步骤八，定义均匀性指标并分析操作条件对物理场分布特征的影响；步骤九，对燃料电池堆内电池进行可视化分析；步骤十，正常电池与异常电池输出性能比较；步骤十一，比较分析正常与异常情况下燃料电池内部参数的分布差异；
[0006]其中在上述步骤一中，根据单片燃料电池运行中传热、质量传输、电化学反应、两相流等现象，建立不同区域的一系列守恒方程；
[0007]其中在上述步骤二中，计算模型涉及到的等效系数，具体包括分子扩散系数和努森扩散系数；
[0008]其中在上述步骤三中，确定双极板处热传导的边界条件约束，具体包括气体扩散层与极板处边界条件约束，以及冷却水通道与极板的边界条件约束；
[0009]其中在上述步骤四中，设置求解精度，基于4阶龙格
‑
库塔方法对微分方程组进行迭代求解，当所有变量的迭代误差均小于求解精度时，终止计算；
[0010]其中在上述步骤五中，综合考虑计算结果与计算耗时，采取不同网格数量、不同参数的结果进行网格独立性验证，达到在计算结果趋于收敛的同时，计算耗时相对较好；
[0011]其中在上述步骤六中，完成步骤五后，根据相应的实验操作条件及实际的燃料电池几何参数，带入模型进行迭代求解；此外，为验证模型的准确性，采用实验数据进行验证，当仿真数据与模型的误差小于5％时，认为模型准确；
[0012]其中在上述步骤七中，根据步骤六中得到的模型求解结果，分析跨膜方向上燃料电池内部物理场在复杂耦合特性下的分布特征；
[0013]其中在上述步骤八中，定义无量纲的膜电极温度分布、膜水含量分布均匀性指标，分析操作条件对膜电极内部物理场分布特征的影响；其中，操作条件具体包括电流强度、进气压力和阳极相对湿度；
[0014]其中在上述步骤九中，根据燃料电池堆内呈现出的电压响应不一致性，选取正常电池与异常电池进行可视化分析，采用扫描电子显微镜技术对气体扩散层、微孔层、膜等组件平面进行可视化分析；对比扫描结果，观察正常电池与异常电池间的结构差异，提取相关的结构参数进行后续研究；
[0015]其中在上述步骤十中，将步骤七中的主要结构参数，改变其数值代入模型中进行迭代求解，将模型计算得到的电压输出特性进行对比分析；根据步骤九中扫描电镜图的对比结果，提取出孔隙率、接触角及厚度作为正常与异常电池间存在主要差异的参数，据此设置两类异常程度进行比较；
[0016]其中在上述步骤十一中，根据模型计算结果，对比分析正常与异常情况下燃料电池内部的温度、膜水含量和液态水饱和度。
[0017]优选的，所述步骤一中，具体为：
[0018]气体与液态水的质量守恒方程：
[0019][0020]式(1)中，ρ(kg.m
‑3)、u(m.s
‑1)分别为密度、速度，下标g、l表示气体组分和液态水，S
m
和S
liq
(kg.m
‑3.s
‑1)则表示对应的气相及液相的源项；
[0021]气体组分在多孔介质中传输过程的守恒方程：
[0022][0023]式(2)中，C
i
(mol.m
‑3)、M
i
(kg.mol
‑1)、S
i
(kg.m
‑3.s
‑1)分别为组分i(i
＝H2,O2,H2O)的浓度、摩尔质量、有效扩散系数及源项；
[0024]多孔介质中质量守恒采用两相流达西定律描述：
[0025][0026]式(3)中，k
r
为无量纲相对渗透率，K(m2)为组将的固有渗透率，μ(Pa.s)为动力学粘度，P(Pa)则表示压强；相对渗透率是关于液态水饱和度的函数，通常为3次方关系：
[0027]k
rl
＝s3,k
rg
＝(1
‑
s)3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0028]式(4)中，s表示液态水饱和度；
[0029]多孔介质中，液态水传输的驱动力为毛细压力，其定义为：
[0030][0031]式(5)中，β(N.m
‑1)、θ(
°
)分别为表面张力系数、接触角，J(s)为Leverett
‑
J函数，是关于液态水饱和度的经验函数：
[0032][0033]在燃料电池中，能量守恒方程包括电化学反应动力学、热传导、热对流的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法，包括以下步骤：步骤一，建立燃料电池多物理场模型；步骤二，计算模型涉及到的等效系数；步骤三，确定边界条件约束；步骤四，模型的迭代计算；步骤五，模型的网格独立性验证；步骤六，实验验证模型的准确性；步骤七，内部参数分布特性分析；步骤八，定义均匀性指标并分析操作条件对物理场分布特征的影响；步骤九，对燃料电池堆内电池进行可视化分析；步骤十，正常电池与异常电池输出性能比较；步骤十一，比较分析正常与异常情况下燃料电池内部参数的分布差异；其特征在于：其中在上述步骤一中，根据单片燃料电池运行中传热、质量传输、电化学反应、两相流等现象，建立不同区域的一系列守恒方程；其中在上述步骤二中，计算模型涉及到的等效系数，具体包括分子扩散系数和努森扩散系数；其中在上述步骤三中，确定双极板处热传导的边界条件约束，具体包括气体扩散层与极板处边界条件约束，以及冷却水通道与极板的边界条件约束；其中在上述步骤四中，设置求解精度，基于4阶龙格
‑
库塔方法对微分方程组进行迭代求解，当所有变量的迭代误差均小于求解精度时，终止计算；其中在上述步骤五中，综合考虑计算结果与计算耗时，采取不同网格数量、不同参数的结果进行网格独立性验证，达到在计算结果趋于收敛的同时，计算耗时相对较好；其中在上述步骤六中，完成步骤五后，根据相应的实验操作条件及实际的燃料电池几何参数，带入模型进行迭代求解；此外，为验证模型的准确性，采用实验数据进行验证，当仿真数据与模型的误差小于5％时，认为模型准确；其中在上述步骤七中，根据步骤六中得到的模型求解结果，分析跨膜方向上燃料电池内部物理场在复杂耦合特性下的分布特征；其中在上述步骤八中，定义无量纲的膜电极温度分布、膜水含量分布均匀性指标，分析操作条件对膜电极内部物理场分布特征的影响；其中，操作条件具体包括电流强度、进气压力和阳极相对湿度；其中在上述步骤九中，根据燃料电池堆内呈现出的电压响应不一致性，选取正常电池与异常电池进行可视化分析，采用扫描电子显微镜技术对气体扩散层、微孔层、膜等组件平面进行可视化分析；对比扫描结果，观察正常电池与异常电池间的结构差异，提取相关的结构参数进行后续研究；其中在上述步骤十中，将步骤七中的主要结构参数，改变其数值代入模型中进行迭代求解，将模型计算得到的电压输出特性进行对比分析；根据步骤九中扫描电镜图的对比结果，提取出孔隙率、接触角及厚度作为正常与异常电池间存在主要差异的参数，据此设置两类异常程度进行比较；其中在上述步骤十一中，根据模型计算结果，对比分析正常与异常情况下燃料电池内部的温度、膜水含量和液态水饱和度。2.根据权利要求1所述的基于多物理场模型的水冷型燃料电池参数分布的分析方法，其特征在于：所述步骤一中，具体为：气体与液态水的质量守恒方程：
式(1)中，ρ(kg.m
‑3)、u(m.s
‑1)分别为密度、速度，下标g、l表示气体组分和液态水，S
m
和S
liq
(kg.m
‑3.s
‑1)则表示对应的气相及液相的源项；气体组分在多孔介质中传输过程的守恒方程：式(2)中，C
i
(mol.m
‑3)、M
i
(kg.mol
‑1)、S
i
(kg.m
‑3.s
‑1)分别为组分i(i＝H2,O2,H2O)的浓度、摩尔质量、有效扩散系数及源项；多孔介质中质量守恒采用两相流达西定律描述：式(3)中，k
r
为无量纲相对渗透率，K(m2)为组将的固有渗透率，μ(Pa.s)为动力学粘度，P(Pa)则表示压强；相对渗透率是关于液态水饱和度的函数，通常为3次方关系：k
rl
＝s3,k
rg
＝(1
‑
s)3ꢀꢀꢀꢀ
(4)式(4)中，s表示液态水饱和度；多孔介质中，液态水传输的驱动力为毛细压力，其定义为：式(5)中，β(N.m
‑1)、θ(
°
)分别为表面张力系数、接触角，J(s)为Leverett
‑
J函数，是关于液态水饱和度的经验函数：在燃料电池中，能量守恒方程包括电化学反应动力学、热传导、热对流的形式：式(7)中，ε、C
p
(J.kg
‑1.K
‑1)、T(K)、k
eff
(W.m
‑1.K
‑1)、S
T
(W.m
‑3)分别为组件孔隙率、流体的比热容、温度、有效热导率及热源；在膜电极(包括催化层和质子交换膜)中，膜水含量的守恒方程为：式(8)中，ρ
mem
(kg.m
‑3)、EW(kg.mol
‑1)、n
d
分别为质子交换膜密度、膜等效摩尔质量、膜态水有效扩散系数及电拖曳系数，S
mw
(kg.m
‑3.s
‑1)为膜态水源项；
在催化层处涉及到电化学反应，其电荷守恒方程为：式(9)中，σ
eff
(S.m
‑1)、S(C.m
‑3.s
‑1)分别表示有效电导率、电势及源项；下标ele及ion则表示电子、质子；燃料电池电极动力学主要通过简化的巴特勒
‑
沃尔默方程进行表示：阳极催化层：阴极催化层：式(10)、(11)中，a(m2.m
‑3)、C
ref
(mol.m
‑3)、η(V)、α分别为交换电流密度、单位体积电催化比表面积、参考摩尔浓度、活化过电势及传输系数；下标A和C表示阳极侧和阴极侧；对于实际的催化层，铂颗粒表面通常覆盖着一层电解质，其表面的气体溶解浓度可用亨利定律表示：式(12)中，...

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