[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

本發明公開了一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法，其包括如下步驟：（1）質子交換膜燃料電池等溫穩態流動、傳質、電化學物理化學現象耦合模擬分析，以優化電池幾何結構以及上述物理場出入口邊界條件；（2）步驟1模擬得到的二次電流分布中總功耗密度數據集耦合固體傳熱中的熱源項計算產熱溫度場分布；（3）添加冷卻介質流場，耦合步驟2中的二次電流分布和固體傳熱模擬結果，以優化冷卻流場的工況參數達到電池的熱管理。本發明是分步求解質子交換膜燃料電池，實現快速間接全耦合分析質子交換膜燃料電池的流場、傳質、電化學、傳熱物理場。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，尤其是涉及一種高效的質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池（proton?exchange?membrane?fuel?cell，即PEMFC）具有常溫環境下工作和快速啟動特點，將化學能直接轉化為電能的裝置。與目前其它的能量轉化形式相比，具有不受卡諾循環的限制，能量轉換效率高，無污染，噪音小和模塊化設計等眾多優點，所述優點讓質子交換膜燃料電池已成為目前研究的熱點。

質子交換膜燃料電池是一個多尺度龐大復雜的體系，燃料電池工作狀態下伴隨有反應氣體在流道內的流動、在多孔介質中的擴散、電極催化層中的電化學反應、水的相變、水在質子交換膜中的傳輸、電子和離子不同介質中的傳遞以及熱量傳導等復雜的物理和化學變化，并且這些物理化學現象相互關聯，相互影響。目前主要通過實驗和模擬的方法，研究燃料電池內部運行情況，以便更好的優化燃料電池。但是質子交換膜燃料電池的實驗成本高、時間周期長、容易受實驗器材的影響，制約了質子交換膜燃料電池的實驗研究進展。質子交換膜燃料電池數值模擬方法成本低、效率高、可以從運行參數、結構設計、材料屬性等多個方面對質子交換膜燃料電池進行優化設計分析。因此，數值模擬方法是加速質子交換膜燃料電池技術發展的重要途徑之一。

目前質子交換膜燃料電池數值模擬方法也面臨兩方面問題。一方面，質子交換膜燃料電池內的物理化學變化直接全耦合模擬計算，往往需要大量的計算資源，用來求解大維度的矩陣和強非線性的偏微分方程，會造成計算量巨大，求解很困難等問題；另一方面，質子交換膜燃料電池模擬求解物理場單一或者物理場之間不進行耦合，就不能全面反映燃料電池真實的工作情況。

發明內容

本發明主要是針對現有模擬方法的缺陷，為質子交換膜燃料電池內復雜物理化學現象研究，提供一種高效的質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法。

本發明針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：一種質子交換膜燃料電池多物理場耦合模擬方法，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。

本方案相比現有的冷卻介質流場和傳熱物理場等多物理場直接全耦合求解非等溫燃料電池的穩態工作情況的方案，收斂性顯著提高，計算量顯著降低。

作為優選，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；