[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

本發明公開了一種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，優化方法包括：步驟1，建立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；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；步驟4，提取關鍵模擬參數：對于各三維質子交換膜燃料電池幾何模型，均在相同的位置，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的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。本發明專注于截面形狀對PEMFC性能的影響，減少了計算量并提高了計算穩定性和實用性。

技術領域

本發明涉及一種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，屬于質子交換膜燃料電池雙極板流道結構領域。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將氫氣和氧氣轉化為電能和水的能量轉換裝置。相對于磷酸燃料電池(PAFC)、堿性燃料電池(AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)，PEMFC作為第五代燃料電池，具有無污染、低噪聲、能量轉換效率高等優點，是當前發展最快的一種燃料電池。然而，PEMFC相對較高的成本和較短的壽命限制了其商業應用。

通過優化PEMFC雙極板流道結構能夠有效提高氣體在催化層的均勻性，從而減少冷點、熱點和水淹的現象，最終達到降低成本和延長壽命的目的。對于同一種流道結構，不同的流道截面對PEMFC的性能表現出巨大的差異。較好的流道截面形狀能夠提高反應氣體在催化層的均勻性和濃度，從而有效的提高單個電池的性能。與之相反的是，不合理的流道截面形狀會導致反應氣體在催化層分布不均衡，從而產生冷點熱點和水淹的現象，降低了電池的性能并縮短了電池的壽命。

發明內容

本發明通過建立三維不同流道截面的PEMFC模型，提出一種基于模擬仿真的方法對不同流道截面的PEMFC模型的性能進行了綜合的分析。本發明通過簡化反應過程中的焦耳熱和反應熱，專注于截面形狀對PEMFC性能的影響，減少了計算量并提高了計算穩定性和實用性。

為實現上述的技術目的，本發明將采取如下的技術方案：

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，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；

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。

進一步，步驟1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；