[發明專利]燃料電池堆準三維多物理場耦合溫度分布預測方法

有效

• 申請號: 202011496275.0
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112599820B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 陳敏;徐家慧;趙洋洋;劉雪婷;李光偉;邢丹敏
• 申請（專利權）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;H01M8/04992;H01M8/0438;H01M8/04492
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

1.一種燃料電池堆準三維多物理場耦合溫度分布預測方法，其特征在于包括：

通過單池三腔的流動計算獲得體積流量Q與三腔進出口壓力降的關系，根據流通面積A將體積流量轉換為流速，建立單池三腔流動壓力降與流速的關系，通過一元二次方程的擬合進而建立起流動速度V、粘性阻力系數1/α、慣性阻力系數C、流道長度L、流體密度ρ、粘度μ與壓力降△P的關系；

簡化電堆流量分配計算中單池的幾何模型，將單池的真實幾何流道、形狀采用六面體表征，該六面體具有與真實單池相同的流通面積A和流通長度L，不改變單池的厚度僅改變流動過程中的方向和截面積，并保持電堆公用通道進出口歧管真實流通結構不變；

針對空氣腔、氫氣腔、冷卻腔進行電堆中各節單池流量分配的數值模擬；

采用近似單流道的方法簡化準三維溫度分布計算中的各節單池的幾何模型；

修正電堆溫度計算時的三腔流量，基于單池各流道中的水流量分布情況、以其中最低的流道水流量作為電堆簡化后的單池水流量輸入，獲得單池極板上的最高溫度分布，將空氣腔和氫氣腔單池中每根流道的平均值作為兩個氣腔的流量修正值；

數值模擬燃料電池流動、電化學、多相流、傳熱多物理場耦合過程；

通過單池三腔的流動計算，得到體積流量Q與三腔進出口壓力降的關系，根據流通面積A將體積流量轉換為流速，找到壓力降與流速之間的一元二次關系式：

進氣體積流量Q向進氣速度V的轉換：

Q＝AV (1)

根據三組或三組以上速度與壓力降的關系，擬合截距為0的一元二次關系式：

△P＝aV²+bV (2)

而針對多孔介質建立起的流動壓力降由粘性損失和慣性損失組成，如下式：

△P＝(C)1/2ρLV²+(1/α)μLV (3)

對比公式(2)和公式(3)得到兩個阻力：

1/α＝b/(μL) (4)

C＝2a/(ρL) (5)

其中流通面積A為公用通道進入單池時的流通面積，流道長度L是單池進出口截面上對應位置的連線長度；

采用近似單流道的方法簡化準三維溫度分布計算中的各節單池的幾何模型時：

保持反應氣沿流動方向的長度和電池厚度方向的高度尺寸不變，變化流道的數量將一個單池簡化為一個類似于單流道的幾何模型，極板上保留空氣腔、氫氣腔以及冷卻腔，該幾何模型的寬度減小到一個冷卻腔流道周期的尺寸并包括膜電極和雙極板，氫氣腔和空氣腔的橫截面形狀、尺寸與真實模型相同，將冷卻腔流道簡化為長方體其高度保持與真實高度相同；

針對空氣腔、氫氣腔、冷卻腔進行電堆中各節單池流量分配數值的模擬時：

對簡化的單池流動區域進行區域類型設置及參數控制，首先將該流動區域定義為層流和多孔介質，在多孔介質的計算中輸入粘性阻力系數和慣性阻力系數，采用公式(2)進行流體在該區域中流動時的壓力降擬合，計算基于SIMPLE算法求解連續方程和動量方程，通過對壓力場和速度場的迭代修正，獲得收斂解，進而統計出電堆中的各節單池的流量分配結果。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征還在于：在燃料電池中流動、電化學、多相流、傳熱多物理場耦合的數值模擬過程中：

其中多相流計算時膜電極內考慮膜態水、氣態水和液態水相互轉換，在流道中僅存在膜態水和液態水，且液態水將以水霧的形態存在；

傳熱計算中，需要將電堆進口端和盲端外表面的對流換熱、熱輻射做出估算，以用于第二類換熱邊界條件的確定；

在電化學計算中采用均相模型，將催化層看作催化劑、樹脂、孔隙組成的相均勻分布的連續體，考慮活化損失、歐姆損失和傳質損失，其中在傳質損失的計算中考慮了樹脂、液態水對氧氣傳質的影響；

最終通過電堆簡化模型的多物理場耦合計算，獲得電堆各節溫度分布情況。