[發明專利]PEMFC雙極板流道截面的優化方法及三維質子交換膜燃料電池

有效

• 申請號: 202011447350.4
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112582635B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 林開杰;全景峰;顧冬冬;方亞美;董偉菘;喬競馳;吳立斌;葛慶;莊杰;劉洋
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M8/0258
• 分類號: H01M8/0258;G06F30/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 劉莎

1.PEMFC雙極板流道截面的優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，建立三維質子交換膜燃料電池PEMFC幾何模型

在保證雙極板流道截面面積相同以及雙極板流道與氣體擴散層接觸面積相同的前提條件下，構建若干個相互間雙極板流道截面流道具有不同高寬比的三維質子交換膜燃料電池幾何模型；具體包括如下步驟：

1.1、在三維制圖軟件中，確定雙極板流道截面與氣體擴散層接觸的邊線長度；

1.2、確定雙極板流道截面最寬之處的兩端點A、B和最高之處的兩端點H1、H2；

1.3、用樣條曲線圓弧連接點A、B、H1、H2和底邊邊線；

1.4、分別構建出高寬比為0.5、0.7、0.9、1.0、1.1、1.3的雙極板流道截面，同時保證各雙極板流道截面的面積相同；

1.5、將1.4中構建的每一個雙極板流道截面拉伸為三維幾何模型；

1.6、針對1.5中每一個三維幾何模型，分別構建出雙極板、氣體擴散層、催化層和質子交換膜；

1.7、將步驟1.6中構建的雙極板、氣體擴散層、催化層和質子交換膜裝配到1.5中相應的三維幾何模型上，從而對應得到具有不同高寬比的雙極板流道截面的三維質子交換膜燃料電池幾何模型；

步驟2，網格劃分三維質子交換膜燃料電池幾何模型

分別對步驟1構建的各三維質子交換膜燃料電池幾何模型進行網格劃分；

步驟3，對三維質子交換膜燃料電池幾何模型進行模擬計算

在相同的模擬條件下，對經步驟2網格劃分后的各三維質子交換膜燃料電池幾何模型進行模擬計算；

步驟4，提取關鍵模擬參數

根據步驟3的模擬結果，對于各三維質子交換膜燃料電池幾何模型，在相同的位置，提取能夠側面反映各三維質子交換膜燃料電池幾何模型對燃料電池性能影響的關鍵模擬參數；所述的關鍵模擬參數包括陰極反應氣體的速度、陰極反應氣體的濃度和電池的電流密度；

步驟5，優選雙極板流道截面

綜合考慮關鍵模擬參數與雙極板流道截面流道高寬比之間的關系，優選出特定高寬比的雙極板流道截面。

2.如權利要求1所述的PEMFC雙極板流道截面的優化方法，其特征在于，步驟2具體包括如下步驟：

2.1、將步驟1中構建的三維質子交換膜燃料電池幾何模型保存為xt格式，然后導入到ICEM軟件中；

2.2、在ICEM軟件中，對2.1導入的xt格式幾何模型進行拓撲檢查，并根據檢查結果手動進行修復；

2.3、建立初始塊，然后按照計算域對初始塊進行分塊；

2.4、按照模擬計算過程中的邊界條件，分別對分塊后的塊和幾何文件建立part；

2.5、根據不同流道截面的三維質子交換膜燃料電池的幾何特點對分塊后的塊進行剖分和關聯；

2.6、根據幾何特征生成網格，并根據網格質量和數量調整最大網格尺寸和縮放因子，最后輸出.msh格式的網格。

3.如權利要求1所述的PEMFC雙極板流道截面的優化方法，其特征在于，步驟3中，相同模擬條件指模擬的邊界條件、初始化條件、迭代步數均相同。

4.如權利要求2所述的PEMFC雙極板流道截面的優化方法，其特征在于，步驟3具體包括如下步驟：

3.1、將.msh格式的網格導入到Fluent中；

3.2、調出燃料電池模塊，對正方形流道截面燃料電池，通過改變電池的電壓，得出正方形截面的極化曲線；

3.3、根據正方形截面的極化曲線，確定電池有最大的電流密度時的電壓；

3.4、各三維質子交換膜燃料電池幾何模型以3.3中確定的電壓為設定電池電壓，其它模擬參數與正方形截面燃料電池的模擬參數相同，進行模擬計算。

5.如權利要求1所述的PEMFC雙極板流道截面的優化方法，其特征在于，步驟4中，提取關鍵模擬參數具體包括如下步驟：分別在雙極板流道和氣體擴散層的界面位置提取陰極側反應氣體流向氣體擴散層方向的速度數據，在氣體擴散層和催化層的界面提取陰極側反應氣體的濃度數據、在雙極板連接負載的表面提取陰極側電流密度數據。