[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

本發明公開了一種燃料電池堆準三維多物理場耦合溫度分布預測方法，該方法首先對單池壓降特性進行計算，獲得壓降與流量的關系，推導出用于電堆流量分配計算采用多孔介質法所需要的參數。接下來對完成幾何簡化的電堆三腔進行流量分配計算，其分配結果作為電堆溫度分布計算的輸入，再配合電堆溫度計算簡化幾何模型，可完成電堆溫度分布預測。該方法可擴展于以上因素對流體分配的影響程度研究；本方法最終獲得電堆內較詳細的溫度分布情況，彌補了測試中監測點有限以及監測困難等不足。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，尤其涉及一種燃料電池堆準三維多物理場耦合溫度分布預測方法。

背景技術

在燃料電池的研發過程中，水管理是設計過程中不可忽視的問題，它關系到電池排水、膜的導電性等，進而影響到性能、壽命的優劣。水的冷凝或蒸發情況也因溫度變化而變化，即水的含量也受電池溫度的影響。在電堆的工作過程中，溫度分布很難達到均勻。對電堆溫度分布進行可靠預測能加強對其內部水分布的認識、監測，以促進對設計的優化。

申請號為CN 110336057A的專利公開了一種交叉流電堆二維溫度分布觀測器構建方法及其應用，通過電堆進出口溫度實測值驗證校對，預測電池內部的溫度分布情況，但這些方法需要結合實驗實時檢測電堆進出口溫度，以作為內部溫度分布預測的依據或判斷標準；由于技術方案中對電堆內溫度的預測，通常缺少對電化學、傳熱學的耦合，往往從電堆進出口溫度的實測值出發，通過線性或非線性計算去匹配電堆內部的溫度，其預測值的準確性驗證比較間接。

文獻《高溫質子交換膜燃料電池堆性能的數值模擬研究》介紹了無液態水情況下，高溫燃料電池堆中采用冷卻板時溫度分布預測情況；該技術方案是基于電化學、傳熱耦合的方法，針對高溫燃料電池，忽略質子交換膜內水分的傳輸，不考慮液態水生成，計算中沒有液態水生成、轉換、輸運等機理的加入，且認為膜電極中各材料具有各向同性，最終獲得電堆一維溫度分布；另外該文件中算法不明確，不適用于低溫(低于100℃)燃料電池；前期在電堆流量分配計算中沒有考慮到進口歧管結構差異帶來的影響。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種燃料電池堆準三維多物理場耦合溫度分布預測方法，該方法首先對單池壓降特性進行計算，獲得壓降與流量的關系，推導出用于電堆流量分配計算采用多孔介質法所需要的參數。接下來對完成幾何簡化的電堆三腔進行流量分配計算，其分配結果作為電堆溫度分布計算的輸入，再配合電堆溫度計算簡化幾何模型，可完成電堆溫度分布預測，具體采用如下步驟：

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。

進一步的，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：