基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法技术

一种基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，建立具有不同反应气体进气方式和冷却液流动方向的三维两相非等温质子交换膜燃料电池几何模型并将其划分为数量级不同的网格文件后进行数值模拟计算，得到不同电压下对应的电流密度值，绘制该模型的极化曲线并确定模拟参数，在确定电池阴极电势条件下获得候选冷却方案；再通过比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响以及比较不同冷却液体的条件参数对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，实现冷却方案的最终优化，本发明专利技术显著提高了质子交换膜燃料电池的输出性能，降低电池内部局部的热点冷点和水淹现象产生，提高燃料电池电堆的耐久性，从而达到降低氢燃料重卡的采购和行成本的目的。卡的采购和行成本的目的。卡的采购和行成本的目的。

【技术实现步骤摘要】
基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法


[0001]本专利技术涉及的是一种质子交换膜燃料电池领域的技术，具体是一种基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(Proton
‑
exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)是一种以氢气和氧气(空气)为原料，利用二者间发生电化学反应，将燃料的化学能直接转化为电能的能量转换装置。燃料电池的冷却方法包括空冷和液冷，其中液冷法常采用比热容较高的冷却液，其换热能力较强且有利于燃料电池内部温度分布均匀，故而氢燃料重卡常采用液冷法。在确定冷却结构的前提下，对于同一种流道结构，不同的冷却方案和冷却条件对PEMFC温差大小、分布均匀性及膜水含量等均有较大影响，因此，较好地揭示质子交换膜燃料电池内部复杂的物理化学、内部传质传热及电、水、热多物理场耦合对于解决电堆内部温度升高、出现“水淹”、“局部热点”等水热管理问题尤为重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有质子交换膜燃料电池冷却技术缺少对带有冷却流道的PEMFC数值模拟以体现液冷对于燃料电池各方面输出性能的影响的考虑、缺少冷却液流速和冷却液温度等方面对燃料电池在温差、温度分布和气体分布均匀性、电流密度等输出性能的影响的考虑，导致内部出现局部过热点、过冷点、水淹等问题，提出一种基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法，建立具有不同反应气体进气方式和冷却液流动方向的三维两相非等温质子交换膜燃料电池几何模型并对其进行网格划分，将网格文件导入后进行数值模拟计算，得到不同电压下对应的电流密度值，绘制该模型的极化曲线并确定模拟参数，在确定电池阴极电势条件下获得候选冷却方案；再通过比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响以及比较不同冷却液体的条件参数对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，实现冷却方案的最终优化。
[0006]所述的模拟参数包括：边界条件、工作环境参数、初始化条件、求解参数和迭代步数。
[0007]所述的比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响是指：针对候选冷却方案，在固定冷却液体的温度和流速的模拟条件前提下，比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，分析比对不同模式(包括但不限于同向顺流、同向逆流、异向顺流、异向逆流)下的电池内部的温差大小、温度分布均匀性、反应气体分布均匀性、质子交换膜含水量分布、电导率分布及电池电流密度参数，确定较好的反应气体进气方式和冷却水流向，以此作为优化的
冷却方案。
[0008]所述的确定较好的反应气体进气方式和冷却水流向，具体为：通过对比多组不同进气方式和冷却水流向下的质子交换膜燃料电池数值模拟结果，选择质子交换膜内温差较小、温度分布均匀、膜水含量较小且较均匀，反应气体分布均匀、电池电流密度较大的一组，以该情况下的反应气体进气方式和冷却水流向作为优化的冷却方案。
[0009]所述的比较不同冷却液体的条件参数对质子交换膜燃料电池输出性能的影响是指：针对候选冷却方案，在相同的数值模拟条件前提下，比较不同冷却液体的温度、流速对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，通过ANSYS FLUENT模拟仿真出电池内部的温差大小、温度分布均匀性、反应气体分布均匀性、质子交换膜含水量分布、电导率分布及电池电流密度参数，通过分析比较确定较好的冷却液体条件参数，以此作为优化的冷却方案。
[0010]所述的分析比较确定较好的冷却液体条件参数，具体为：通过对比多组不同冷却水温度和冷却水流速下的质子交换膜燃料电池数值模拟结果，选择质子交换膜内温差较小、温度分布均匀、膜水含量较小且较均匀，反应气体分布均匀、电池电流密度较大的一组，以该情况下的冷却水温度和冷却水流速作为较好的冷却液条件参数。
附图说明
[0011]图1为质子交换膜燃料电池结构示意图；
[0012]图2为PEMFC数值模拟流程图；
[0013]图3为冷却流道流动方向与气体流道同向PEMFC几何模型示意图；
[0014]图4为不同反应气体进气方式和冷却液流动方向下模型示意图；
[0015]图5为阳、阴极反应气体顺流进气且冷却液同向条件下极化曲线示意图；
[0016]图6为冷却液流速v＝0.08m/s质子交换膜温度分布图(同向顺流模式)；
[0017]图7为质子交换膜温度分布图；
[0018]图中：(a)阳极催化层
‑
膜温度分布，(b)阴极催化层
‑
膜温度分布；
[0019]图8为质子交换膜不同位置处温度分布图；
[0020]图9为气体流道温度分布图；
[0021]图中：(a)阳极气体流道，(b)阴极气体流道；
[0022]图10为冷却流道温度分布图；
[0023]图中：(a)阳极冷却流道，(b)阴极冷却流道；
[0024]图11为四种模式下质子交换膜温度分布云图；
[0025]图中：(a)同向顺流，(b)异向逆流，(c)同向逆流，(d)异向顺流；
[0026]图12为阴极气体扩散层与催化层交界处氧气质量分数分布图；
[0027]图中：(a)同向顺流，(b)异向逆流，(c)同向逆流，(d)异向顺流；
[0028]图13为质子交换膜与阴极催化层交界处水质量分数分布；
[0029]图中：(a)同向顺流，(b)异向逆流，(c)同向逆流，(d)异向顺流；
[0030]图14为四种模式下膜温度差及水含量差对比图；
[0031]图15为不同冷却温度下冷却水温度分布图；
[0032]图中：(a)T＝353K，(b)T＝343K，(c)T＝333K；
[0033]图16为不同冷却温度下膜温度分布图；
[0034]图中：(a)T＝353K，(b)T＝343K，(c)T＝333K。；
具体实施方式
[0035]如图2所示，为本实施例涉及一种基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，包括以下步骤：
[0036]步骤1，建立三维质子交换膜燃料电池几何模型：根据质子交换膜燃料电池实际尺寸按比例运用三维制图软件建立PEMFC几何模型，在保证双极板气体流道结构相同以及双极板气体流道与气体扩散层接触面积相同的前提条件下，构建若干具有不同冷却流道方向及排布的三维质子交换膜燃料电池几何模型，具体包括：
[0037]步骤1.1、在三维制图软件(如SOLIDWORKS)中，确定质子交换膜燃料电池阳极和阴极极板在x、y轴方向(宽和高)上尺寸，并沿垂直于自身方向(z轴)拉伸一确定长度，拉伸为三维几何模型；
[0038]步骤1.2、确定气体流道截面形状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，其特征在于，建立具有不同反应气体进气方式和冷却液流动方向的三维两相非等温质子交换膜燃料电池几何模型并将其划分为数量级不同的网格文件后进行数值模拟计算，得到不同电压下对应的电流密度值，绘制该模型的极化曲线并确定模拟参数，在确定电池阴极电势条件下获得候选冷却方案；再通过比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响以及比较不同冷却液体的条件参数对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，实现冷却方案的最终优化；所述的模拟参数包括：边界条件、工作环境参数、初始化条件、求解参数和迭代步数。2.根据权利要求1所述的基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，其特征是，所述的比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响是指：针对候选冷却方案，在固定冷却液体的温度和流速的模拟条件前提下，比较不同反应气体进气方式和冷却液体流动方向对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，分析比对不同模式下电池内部的温差大小、温度分布均匀性、反应气体分布均匀性、质子交换膜含水量分布、电导率分布及电池电流密度参数，确定较好的反应气体进气方式和冷却水流向，以此作为优化的冷却方案。3.根据权利要求1或2所述的基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，其特征是，所述的确定较好的反应气体进气方式和冷却水流向，具体为：通过对比多组不同进气方式和冷却水流向下的质子交换膜燃料电池数值模拟结果，选择质子交换膜内温差较小、温度分布均匀、膜水含量较小且较均匀，反应气体分布均匀、电池电流密度较大的一组，以该情况下的反应气体进气方式和冷却水流向作为优化的冷却方案。4.根据权利要求1所述的基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，其特征是，所述的比较不同冷却液体的条件参数对质子交换膜燃料电池输出性能的影响是指：针对候选冷却方案，在相同的数值模拟条件前提下，比较不同冷却液体的温度、流速对质子交换膜燃料电池输出性能的影响，通过ANSYS FLUENT模拟仿真出电池内部的温差大小、温度分布均匀性、反应气体分布均匀性、质子交换膜含水量分布、电导率分布及电池电流密度参数，通过分析比较确定较好的冷却液体条件参数，以此作为优化的冷却方案。5.根据权利要求4所述的基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，其特征是，所述的分析比较确定较好的冷却液体条件参数，具体为：通过对比多组不同冷却水温度和冷却水流速下的质子交换膜燃料电池数值模拟结果，选择质子交换膜内温差较小、温度分布均匀、膜水含量较小且较均匀，反应气体分布均匀、电池电流密度较大的一组，以该情况下的冷却水温度和冷却水流速作为较好的冷却液条件参数。6.根据权利要求1～5中任一所述的基于重卡的三维非温质子交换膜燃料电池冷却方案优化方法，其特征是，具体包括：步骤1，建立三维质子交换膜燃料电池几何模型：根据质子交换膜燃料电池实际尺寸按比例运用三维制图软件建立PEMFC几何模型，在保证双极板气体流道结构相同以及双极板气体流道与气体扩散层接触面积相同的前提条件下，构建若干具有不同冷却流道方向及排布的三维质子交换膜燃料电池几何模型，具体包括：步骤1.1、在三维制图软件中，确定质子交换膜燃料电池阳极和阴极极板在x、y轴方向上尺寸，并沿垂直于自身方向拉伸一确定长度，拉伸为三维几何模型；
步骤1.2、确定气体流道截面形状及其在x、y轴方向上尺寸，并在步骤1.1所述的三维几何模型中对其沿垂直于自身方向贯穿切除，形成气体流道；步骤1.3、确定冷却流道流动方向、排布及其在x、y轴方向上尺寸，并在步骤1.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚安琪，曹亚平，于立军，刘单珂，曹煜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：