[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 |
| 地址: | 321000 浙江省金華市金東區(qū)東孝*** | 國省代碼: | 浙江;33 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關(guān)鍵詞: | 一種 質(zhì)子 交換 燃料電池 物理 耦合 模擬 方法 | ||
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。
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