[發明專利]一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法

有效

• 申請號: 201911339812.8
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111079337B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 喻強;周科;秦子威;陳卓;汪宏斌
• 申請（專利權）人: 畔星科技（浙江）有限公司;上海大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 杭州知見專利代理有限公司 33295
• 代理人: 盧金元

1.一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、對等溫工作的質子交換膜燃料電池中多物理場進行耦合穩態模擬計算；

S2、依據步驟S1得到的穩態模擬結果耦合固體傳熱物理場，計算等溫工作的電池產熱溫度分布；

S3、結合冷卻介質流場和步驟S2得到的產熱溫度分布結果，耦合反推計算等溫穩態工作情況下冷卻介質流場的工況參數；

所述步驟S1具體為：

S101、建立質子交換膜燃料電池的三維仿真模型，所述模型包括陽極冷卻水流道（1-1）、陽極極板（1-2）、陽極反應物流道（1-3）、陽極擴散層（1-4）、陽極催化層（1-5）、質子交換膜（1-6）、陰極催化層（1-7）、陰極擴散層（1-8）、陰極反應物流道（1-9）、陰極極板（1-10）和陰極冷卻水流道（1-11），陽極擴散層、陽極催化層、質子交換膜、陰極催化層和陽極擴散層依次層疊，陽極擴散層上側為截面是Z型的陽極極板，陽極極板右側為陽極冷卻水流道，陽極極板左側為陽極反應物流道，陰極擴散層下側為截面是反Z型的陰極極板，陰極極板左側為陰極反應物流道，陰極極板右側為陰極冷卻水流道；

S102、添加Brinkman方程、濃物質傳遞、稀物質傳遞、二次電流分布接口，對所述物理場之間相互耦合，分別對燃料電池內的反應物流動、反應物傳遞、離聚物中水管理及電化學反應進行計算；

S103、對質子交換膜燃料電池上述物理場接口所需參數進行定義，包括全局工作溫度、上述物理場所需物性參數、求解變量、初始值和邊界條件；

S104、對質子交換膜燃料電池的三維幾何仿真模型，進行網格劃分，對劃分后的三維仿真模型進行穩態求解，得到仿真模型上述物理場的求解變量的數據集，最后，對所述燃料電池等溫穩態工作結果數據集進行可視化后處理，以此方式完成等溫穩態質子交換膜燃料電池的流場、傳質和電化學物理化學現象的數值模擬。

2.根據權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法，其特征在于，所述三維仿真模型網格劃分為：先對三維仿真模型的端面邊進行分割，不同域的端面邊劃分不同大小，膜電極邊單元密度比反應物流道和冷卻介質流道邊單元密度大，對包含上述邊的端面進行映射處理生成四邊形網格，同面的其余端面劃分自由三角形網格，通過設置最大單元大小來控制生成自由三角形網格的稀疏，然后在三維仿真模型長度方向上進行掃掠處理生成結構化網格；

所述穩態求解步驟具體為：首先求解二次電流分布，接著分別求解陰陽隔斷的Brinkman方程得到速度場分布，最后耦合二次電流分布、陰陽隔斷Brinkman方程、陰陽隔斷濃物質傳遞和稀物質傳遞求解上述物理場的求解變量。

3.根據權利要求1或2所述的一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法，其特征在于，所述步驟S2具體為：

S201、添加固體傳熱物理場接口，對燃料電池等溫工作的產熱溫度場分布進行計算；

S202、對質子交換膜燃料電池固體傳熱物理場接口所需物性參數、求解變量、初始值和邊界條件進行定義；

S203、耦合步驟S1的模擬結果和固體傳熱物理場接口，計算電池等溫工作下產熱的溫度分布。

4.根據權利要求3所述的一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法，其特征在于，所述步驟S3具體為：

S301、添加層流接口物理場；

S302、對質子交換膜燃料電池層流物理場接口所需物性參數、求解變量、初始值和邊界條件進行定義；

S303、對固體傳熱物理場接口下添加相應的冷卻介質流道域，并將層流計算的速度場耦合到固體傳熱下相應域內流體的速度分布，通過調整冷卻介質初始溫度和入口速度，多次耦合計算添加冷卻介質流道的電池溫度分布，使電池穩態溫度場計算結果達到等溫工作條件。