[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911339812.8
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111079337B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喻強(qiáng);周科;秦子威;陳卓;汪宏斌
• 申請（專利權(quán)）人: 畔星科技（浙江）有限公司;上海大學(xué)
• 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(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池中多物理場進(jìn)行耦合穩(wěn)態(tài)模擬計算；

S2、依據(jù)步驟S1得到的穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果耦合固體傳熱物理場，計算等溫工作的電池產(chǎn)熱溫度分布；

S3、結(jié)合冷卻介質(zhì)流場和步驟S2得到的產(chǎn)熱溫度分布結(jié)果，耦合反推計算等溫穩(wěn)態(tài)工作情況下冷卻介質(zhì)流場的工況參數(shù)；

所述步驟S1具體為：

S101、建立質(zhì)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(yīng)物流道（1-3）、陽極擴(kuò)散層（1-4）、陽極催化層（1-5）、質(zhì)子交換膜（1-6）、陰極催化層（1-7）、陰極擴(kuò)散層（1-8）、陰極反應(yīng)物流道（1-9）、陰極極板（1-10）和陰極冷卻水流道（1-11），陽極擴(kuò)散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層和陽極擴(kuò)散層依次層疊，陽極擴(kuò)散層上側(cè)為截面是Z型的陽極極板，陽極極板右側(cè)為陽極冷卻水流道，陽極極板左側(cè)為陽極反應(yīng)物流道，陰極擴(kuò)散層下側(cè)為截面是反Z型的陰極極板，陰極極板左側(cè)為陰極反應(yīng)物流道，陰極極板右側(cè)為陰極冷卻水流道；

S102、添加Brinkman方程、濃物質(zhì)傳遞、稀物質(zhì)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(nèi)的反應(yīng)物流動、反應(yīng)物傳遞、離聚物中水管理及電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行計算；

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

S104、對質(zhì)子交換膜燃料電池的三維幾何仿真模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對劃分后的三維仿真模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，得到仿真模型上述物理場的求解變量的數(shù)據(jù)集，最后，對所述燃料電池等溫穩(wěn)態(tài)工作結(jié)果數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化后處理，以此方式完成等溫穩(wěn)態(tài)質(zhì)子交換膜燃料電池的流場、傳質(zhì)和電化學(xué)物理化學(xué)現(xiàn)象的數(shù)值模擬。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)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(wǎng)格劃分為：先對三維仿真模型的端面邊進(jìn)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(yīng)物流道和冷卻介質(zhì)流道邊單元密度大，對包含上述邊的端面進(jìn)行映射處理生成四邊形網(wǎng)格，同面的其余端面劃分自由三角形網(wǎng)格，通過設(shè)置最大單元大小來控制生成自由三角形網(wǎng)格的稀疏，然后在三維仿真模型長度方向上進(jìn)行掃掠處理生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；

所述穩(wěn)態(tài)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(zhì)傳遞和稀物質(zhì)傳遞求解上述物理場的求解變量。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種質(zhì)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(chǎn)熱溫度場分布進(jìn)行計算；

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

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

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池層流物理場接口所需物性參數(shù)、求解變量、初始值和邊界條件進(jìn)行定義；

S303、對固體傳熱物理場接口下添加相應(yīng)的冷卻介質(zhì)流道域，并將層流計算的速度場耦合到固體傳熱下相應(yīng)域內(nèi)流體的速度分布，通過調(diào)整冷卻介質(zhì)初始溫度和入口速度，多次耦合計算添加冷卻介質(zhì)流道的電池溫度分布，使電池穩(wěn)態(tài)溫度場計算結(jié)果達(dá)到等溫工作條件。