CN111079337B - 一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其包括如下步骤：（1）质子交换膜燃料电池等温稳态流动、传质、电化学物理化学现象耦合模拟分析，以优化电池几何结构以及上述物理场出入口边界条件；（2）步骤1模拟得到的二次电流分布中总功耗密度数据集耦合固体传热中的热源项计算产热温度场分布；（3）添加冷却介质流场，耦合步骤2中的二次电流分布和固体传热模拟结果，以优化冷却流场的工况参数达到电池的热管理。本发明是分步求解质子交换膜燃料电池，实现快速间接全耦合分析质子交换膜燃料电池的流场、传质、电化学、传热物理场。

Description

一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种高效的质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，即PEMFC）具有常温环境下工作和快速启动特点，将化学能直接转化为电能的装置。与目前其它的能量转化形式相比，具有不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，无污染，噪音小和模块化设计等众多优点，所述优点让质子交换膜燃料电池已成为目前研究的热点。

质子交换膜燃料电池是一个多尺度庞大复杂的体系，燃料电池工作状态下伴随有反应气体在流道内的流动、在多孔介质中的扩散、电极催化层中的电化学反应、水的相变、水在质子交换膜中的传输、电子和离子不同介质中的传递以及热量传导等复杂的物理和化学变化，并且这些物理化学现象相互关联，相互影响。目前主要通过实验和模拟的方法，研究燃料电池内部运行情况，以便更好的优化燃料电池。但是质子交换膜燃料电池的实验成本高、时间周期长、容易受实验器材的影响，制约了质子交换膜燃料电池的实验研究进展。质子交换膜燃料电池数值模拟方法成本低、效率高、可以从运行参数、结构设计、材料属性等多个方面对质子交换膜燃料电池进行优化设计分析。因此，数值模拟方法是加速质子交换膜燃料电池技术发展的重要途径之一。

目前质子交换膜燃料电池数值模拟方法也面临两方面问题。一方面，质子交换膜燃料电池内的物理化学变化直接全耦合模拟计算，往往需要大量的计算资源，用来求解大维度的矩阵和强非线性的偏微分方程，会造成计算量巨大，求解很困难等问题；另一方面，质子交换膜燃料电池模拟求解物理场单一或者物理场之间不进行耦合，就不能全面反映燃料电池真实的工作情况。

发明内容

本发明主要是针对现有模拟方法的缺陷，为质子交换膜燃料电池内复杂物理化学现象研究，提供一种高效的质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，包括以下步骤：

S1、对等温工作的质子交换膜燃料电池中多物理场进行耦合稳态模拟计算；

S2、依据步骤S1得到的稳态模拟结果耦合固体传热物理场，计算等温工作的电池产热温度分布；

S3、结合冷却介质流场和步骤S2得到的产热温度分布结果，耦合反推计算等温稳态工作情况下冷却介质流场的工况参数。

本方案相比现有的冷却介质流场和传热物理场等多物理场直接全耦合求解非等温燃料电池的稳态工作情况的方案，收敛性显著提高，计算量显著降低。

作为优选，所述步骤S1具体为：

S101、建立质子交换膜燃料电池的三维仿真模型，所述模型包括阳极冷却水流道（1-1）、阳极极板（1-2）、阳极反应物流道（1-3）、阳极扩散层（1-4）、阳极催化层（1-5）、质子交换膜（1-6）、阴极催化层（1-7）、阴极扩散层（1-8）、阴极反应物流道（1-9）、阴极极板（1-10）和阴极冷却水流道（1-11），阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阳极扩散层依次层叠，阳极扩散层上侧为截面是Z型的阳极极板，阳极极板右侧为阳极冷却水流道，阳极极板左侧为阳极反应物流道，阴极扩散层下侧为截面是反Z型的阴极极板，阴极极板左侧为阴极反应物流道，阴极极板右侧为阴极冷却水流道；

几何模型中的对称域使用对称边界，以减少三维仿真模型有限元计算单元数量；

S102、添加Brinkman方程、浓物质传递、稀物质传递、二次电流分布接口，对所述物理场之间相互耦合，分别对燃料电池内的反应物流动、反应物传递、离聚物中水管理及电化学反应进行计算；

所述Brinkman方程物理场，其用来描述阴阳反应物流场在各有效域内的速度和压强分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合对应域的浓物质传递接口物理场的反应物浓度来计算相应域的平均密度；

所述浓物质传递物理场，其用来描述阴阳极反应物在各有效域内的浓度分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合对应域的Brinkman方程接口物理场的速度或压强来计算相应域的对流传质通量；

所述稀物质传递物理场，其用来描述水在离聚物内的浓度分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合对应域的二次电流分布接口物理场的电解质电位分布来计算水在离聚物中的电拖拽传质通量；

所述二次电流分布物理场，其用来描述在各有效域内的电流密度分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合浓物质传递接口物理场的电极层反应物浓度分布来计算电极反应动力学的过电位；

S103、对质子交换膜燃料电池上述物理场接口所需参数进行定义，包括全局工作温度、上述物理场所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件；

所述Brinkman方程物理场所需物性参数包括反应物密度、动力黏度、多孔域的孔隙率和渗透率；求解变量包括阴阳流场的速度分布和压强分布；初始值和边界条件包括阴阳流场的速度场初始值的设定、壁和对称面的选取、出入口流速或压强的设置；

所述浓物质传递物理场所需物性参数包括反应物密度、反应物相对摩尔质量、相对扩散系数；求解变量是反应物质量分数分布；初始值和边界条件包括混合反应物初始浓度值设定、无通量边界和对称面选取、混合物反应物出入口浓度设定；

所述稀物质传递物理场所需物性参数包括水在离聚物中的扩散速度、水在离聚物中电场迁移率；求解变量是水在离聚物中的浓度分布；初始值和边界条件包括初始值水浓度的设定、无通量边界和对称面选取；

所述二次电流分布物理场所需物性参数包括电极和电解质电导率、多孔域的电解质、电极和孔隙百分数、反应气体的热力学平衡电位和动力学参数、电极层的活性比表面积；求解变量包括电极和电解质的电位分布；初始值和边界条件包括阳极域初始电位的设定、阴极域初始工作电位的设定、绝缘、工作电位、接地和对称面选取；

S104、对质子交换膜燃料电池的三维几何仿真模型，进行网格划分，对划分后的三维仿真模型进行稳态求解，得到仿真模型上述物理场的求解变量的数据集，最后，对所述燃料电池等温稳态工作结果数据集进行可视化后处理，以此方式完成等温稳态质子交换膜燃料电池的流场、传质和电化学物理化学现象的数值模拟。

模拟结果数据集后处理包括质子交换膜燃料电池的电压-电流密度性能曲线、电流密度分布、速度场、浓度场三维分布云图。

作为优选，所述三维仿真模型网格划分为：先对三维仿真模型的端面边进行分割，不同域的端面边划分不同大小，膜电极边单元密度比反应物流道和冷却介质流道边单元密度大，即反应物流道、冷却介质流道边单元密度相对膜电极边单元密度稀疏，对包含上述边的端面进行映射处理生成四边形网格，同面的其余端面划分自由三角形网格，通过设置最大单元大小来控制生成自由三角形网格的稀疏，然后在三维仿真模型长度方向上进行扫掠处理生成结构化网格；

反应物流道、冷却介质流道和膜电极都是要模拟研究的域，对这些域的端面划分网格是对端面的边进行分割，然后由边上的分割点映射形成面网格；不同域网格单元的稀疏，是由于其域的尺度决定的，膜电极相比反应物流道、冷却介质流道的尺度要小，所以为了模拟的准确性，要对膜电极网格加密。

所述稳态求解步骤具体为：首先求解二次电流分布，接着分别求解阴阳隔断的Brinkman方程得到速度场分布，最后耦合二次电流分布、阴阳隔断Brinkman方程、阴阳隔断浓物质传递和稀物质传递求解上述物理场的求解变量。

作为优选，所述步骤S2具体为：

S201、添加固体传热物理场接口，对燃料电池等温工作的产热温度场分布进行计算；

S202、对质子交换膜燃料电池固体传热物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；

所述固体传热物理场，其用来描述等温质子交换膜燃料电池产热温度场分布，该物理场所需物性参数包括热导率、密度、恒压热容、多孔域的电解质、电极和孔隙百分数；求解变量是温度场分布；初始值和边界条件包括初始温度的设定、热绝缘、开放边界和对称面选取、出入口温度设定，所述物理场耦合二次电流分布物理场模拟结果中的总功耗密度来计算固体传热物理场的温度分布；

S203、耦合步骤S1的模拟结果和固体传热物理场接口，计算电池等温工作下产热的温度分布。

作为优选，所述步骤S3具体为：

S301、添加层流接口物理场；

所述层流物理场，其用来描述质子交换膜燃料电池冷却介质流道的速度场分布。

S302、对质子交换膜燃料电池层流物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；

所述层流物理场所需物性参数包括冷却介质的密度、动力黏度；求解变量包括冷却介质的速度场分布；初始值和边界条件包括初始冷却介质的初速度设定、壁和对称边界的选取、出入口速度或压强的设定；

S303、对固体传热物理场接口下添加相应的冷却介质流道域，并将层流计算的速度场耦合到固体传热下相应域内流体的速度分布，通过调整冷却介质初始温度和入口速度，多次耦合计算添加冷却介质流道的电池温度分布，使电池稳态温度场计算结果达到等温工作条件。

本方案首先解耦温度计算流场、传质、电化学反应，以满足优化电池结构参数和性能，接着分步间接耦合固体传热和冷却介质流场分别计算电池等温产热温度场分布和电池的热管理，该模拟方法运用解耦和分布计算显著降低求解矩阵的维度和求解偏微分方程的非线性。

本发明带来的实质性效果是，（1）本发明提供的模拟方法，模拟计算等温稳态质子交换膜燃料电池中流场、传质、电化学物理化学过程，可以优化质子交换膜燃料电池的运行参数、结构设计、材料属性，使质子交换膜燃料电池具有高性能；

（2）本发明提供的模拟方法，等温稳态质子交换膜燃料电池模型中添加稀物质传递来描述电极层和质子交换膜离聚物中水的传递现象，可以优化模型水管理问题；

（3）本发明提供的模拟方法，所述模型解耦温度的间接全耦合模拟方法相比直接全耦合求解，其计算资源消耗显著降低；

（4）本发明提供的模拟方法，在模型中加入冷却介质流场进一步优化冷却系统的工况参数，以优化质子交换膜燃料电池热管理问题。

本发明建立的等温质子交换膜燃料电池模型可用于优化电池的反应物流场结构，为质子交换膜燃料电池内部物理化学现象提供理论基础。通过温度场关联，为电池等温工作的产热情况提供参考，然后耦合冷却介质流场，为质子交换膜燃料电池热管理提供解决方案。

附图说明

图1是本发明的一种质子交换膜燃料电池三维仿真模型结构示意图；

图2时本发明的一种质子交换膜燃料电池三维仿真模型结构截面图；

图3是本发明的一种质子交换膜燃料电池三维仿真模型划分网格的效果图；

图中：1-1、阳极冷却水流道；1-2、阳极极板；1-3、阳极反应物流道；1-4、阳极扩散层；1-5、阳极催化层；1-6、质子交换膜；1-7、阴极催化层；1-8、阴极扩散层；1-9、阴极反应物流道；1-10、阴极极板；1-11、阴极冷却水流道。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本发明是基于COMSOL软件建立质子交换膜燃料电池几何结构参数仿真三维模型，然后添加软件自带符合需求的物理场模块，并赋予各物理场所需的物性参数、求解变量、初始值和边界条件，接着对三维几何模型划分网格后，设置求解器的求解步骤，最后对计算得到的数据集进行可视化后处理。本发明的质子交换膜燃料电池高效模拟方法，借用COMSOL软件自带的物理场模块，运用物理场之间的变量交互，对物理场进行相互耦合，使其更贴切质子交换膜燃料电池实际情况。具体包括如下步骤：

（1）首先，模拟计算等温下燃料电池内部的反应物流场、传质、电化学反应，在COMSOL软件中选取所需的物理场接口，包括Brinkman方程、浓物质传递、稀物质传递和二次电流分布，接着全局定义质子交换膜燃料电池上述物理场所需的几何结构参数、物性参数，在所需物理场接口下定义各物理场的初始值和边界条件。

如图1和图2所示，质子交换膜燃料电池的三维仿真模型包括阳极冷却水流道1-1、阳极极板1-2、阳极反应物流道1-3、阳极扩散层1-4、阳极催化层1-5、质子交换膜1-6、阴极催化层1-7、阴极扩散层1-8、阴极反应物流道1-9、阴极极板1-10和阴极冷却水流道1-11，阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阳极扩散层依次层叠，阳极扩散层上侧为截面是Z型的阳极极板，阳极极板右侧为阳极冷却水流道，阳极极板左侧为阳极反应物流道，阴极扩散层下侧为截面是反Z型的阴极极板，阴极极板左侧为阴极反应物流道，阴极极板右侧为阴极冷却水流道；

其中，所述的几何结构参数包括阳极冷却介质流道、阳极气体流道的长度、高度和宽度、阳极扩散层厚度、阳极电极层厚度、质子交换膜厚度、阴极电极层厚度、阴极扩散层厚度以及阴极气体流道、阴极冷却介质流道的长度、高度和宽度。物性参数包括流场和传质模型中需要孔隙率、渗透率和相对扩散系数。

其中，所述的物理场接口，Brinkman方程是描述传功模型的一种，对于流道，通过Navier-Stokes方程对速度场和压力场进行建模求解，对于多孔气体扩散层和电极层，通过Brinkman方程对多孔介质域的速度场和压力场进行建模求解。浓物质传递接口是描述物质浓度为同一数量级的气体和液体混合物的传质模型的一种，通过Maxwell-Stefan方程对流道和多孔介质域的反应物浓度进行建模求解。稀物质传递接口是描述溶剂中稀溶质的传质模型的一种，通过电场迁移和多孔介质质量传递对含有离聚物的电极层和质子交换膜域内的水传递进行建模求解。

（2）接着对具有几何尺寸参数的三维仿真模型进行网格划分，对划分后的三维仿真模型进行稳态求解，得到仿真模型上述物理场求解变量的数据集，最后，对所述等温稳态工作质子交换膜燃料电池数据集进行可视化后处理，获得所需的性能曲线、截面平面图和三维云图，以此方式完成等温稳态质子交换膜燃料电池的流场、传质和电化学物理化学现象的数值模拟。

其中，所述具有参数的三维仿真模型网格划分为：先对端面的主要边进行分割，不同部分可以划分密度不同，其中反应物流道、冷却介质流道边界相对膜电极稀疏，对包含这些边的面进行映射处理生成四边形网格，其余面划分自由三角形网格并利用设置最大单元大小来控制生成网格的稀疏，然后在长度方向上进行扫略处理生成结构化网格，具体参见图3。

其中，所述稳态求解步骤，首先求解二次电流分布，接着分别求解阴阳隔断的Brinkman方程得到速度场分布，最后耦合二次电流分布、阴阳极Brinkman方程、阴阳极浓物质传递和稀物质传递求解各物理场求解的变量。

其中，所述模拟数据集后处理包括质子交换膜燃料电池的电压-电流密度性能曲线、电流密度分布、速度场、浓度场三维云图。

（3）在步骤2的基础上，添加固体传热物理场接口，接着补充全局定义固体传热物理场所需的物性参数，在固体传热物理场接口下定义初始值和边界条件，接着对仿真模型进行稳态求解和可视化后处理。

其中，所述的固体传热物理场是描述传热模型的一种，热源来自二次电流分布物理场求解的总功耗密度数据集，然后通过传热方程对产热温度分布进行建模求解。

其中，所述的固体传热物理场所需物性参数包括热导率、密度、恒压热容、多孔域的电解质、电极和孔隙百分数。

其中，所述的稳态求解是耦合二次电流分布求解数据集中的总功耗密度作为固体传热的热源，结合固体传热设置的边界条件、初始值及物性参数来求解软件固体传热物理场内置的传热方程得到等温质子交换膜燃料电池产热温度分布。

其中，所述的可视化处理是绘制仿真模型结果数据集的三维温度分布云图

（4）在步骤2的基础上，添加层流物理场接口，接着补充全局定义层流物理场所需的物性参数，在层流物理场接口下定义初始值和边界条件并且在固体传热物理场下耦合层流建模的域，接着对仿真模型进行稳态求解和可视化后处理，后续调整层流的流体类型、出入口边界条件，使温度场达到全局定义的等温温度值范围。

其中，所述层流物理场接口是描述冷却介质流动速度和压力场的传功模型一种，

其中，所述层流物性参数包括冷却介质的密度、动力黏度，可以手动定义所需物性参数，也可以通过在COMSOL自带的材料库添加合适的冷却介质材料如水、空气等。

其中，所述稳态求解包括将上述的固体传热、层流和二次电流分布进行全耦合计算，通过调节冷却介质流体类型、流体入口温度、入口速度使最后绘制的温度场大致和设置的等温温度相近，以完成对质子交换膜燃料电池冷却流场工况参数的优化。

本方案不仅比较全面的涵盖了燃料电池内发生的物理化学现象并且其计算资源消耗小，可反映质子交换膜燃料电池运行时真实内部情况。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了等温、物理场等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对等温工作的质子交换膜燃料电池中多物理场进行耦合稳态模拟计算；

S2、依据步骤S1得到的稳态模拟结果耦合固体传热物理场，计算等温工作的电池产热温度分布；

S3、结合冷却介质流场和步骤S2得到的产热温度分布结果，耦合反推计算等温稳态工作情况下冷却介质流场的工况参数；

所述步骤S1具体为：

S101、建立质子交换膜燃料电池的三维仿真模型，所述模型包括阳极冷却水流道（1-1）、阳极极板（1-2）、阳极反应物流道（1-3）、阳极扩散层（1-4）、阳极催化层（1-5）、质子交换膜（1-6）、阴极催化层（1-7）、阴极扩散层（1-8）、阴极反应物流道（1-9）、阴极极板（1-10）和阴极冷却水流道（1-11），阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阳极扩散层依次层叠，阳极扩散层上侧为截面是Z型的阳极极板，阳极极板右侧为阳极冷却水流道，阳极极板左侧为阳极反应物流道，阴极扩散层下侧为截面是反Z型的阴极极板，阴极极板左侧为阴极反应物流道，阴极极板右侧为阴极冷却水流道；

S102、添加Brinkman方程、浓物质传递、稀物质传递、二次电流分布接口，对所述物理场之间相互耦合，分别对燃料电池内的反应物流动、反应物传递、离聚物中水管理及电化学反应进行计算；

S103、对质子交换膜燃料电池上述物理场接口所需参数进行定义，包括全局工作温度、上述物理场所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件；

S104、对质子交换膜燃料电池的三维几何仿真模型，进行网格划分，对划分后的三维仿真模型进行稳态求解，得到仿真模型上述物理场的求解变量的数据集，最后，对所述燃料电池等温稳态工作结果数据集进行可视化后处理，以此方式完成等温稳态质子交换膜燃料电池的流场、传质和电化学物理化学现象的数值模拟。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述三维仿真模型网格划分为：先对三维仿真模型的端面边进行分割，不同域的端面边划分不同大小，膜电极边单元密度比反应物流道和冷却介质流道边单元密度大，对包含上述边的端面进行映射处理生成四边形网格，同面的其余端面划分自由三角形网格，通过设置最大单元大小来控制生成自由三角形网格的稀疏，然后在三维仿真模型长度方向上进行扫掠处理生成结构化网格；

所述稳态求解步骤具体为：首先求解二次电流分布，接着分别求解阴阳隔断的Brinkman方程得到速度场分布，最后耦合二次电流分布、阴阳隔断Brinkman方程、阴阳隔断浓物质传递和稀物质传递求解上述物理场的求解变量。

3.根据权利要求1或2所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

S201、添加固体传热物理场接口，对燃料电池等温工作的产热温度场分布进行计算；

S202、对质子交换膜燃料电池固体传热物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；

S203、耦合步骤S1的模拟结果和固体传热物理场接口，计算电池等温工作下产热的温度分布。

4.根据权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S301、添加层流接口物理场；

S302、对质子交换膜燃料电池层流物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；

S303、对固体传热物理场接口下添加相应的冷却介质流道域，并将层流计算的速度场耦合到固体传热下相应域内流体的速度分布，通过调整冷却介质初始温度和入口速度，多次耦合计算添加冷却介质流道的电池温度分布，使电池稳态温度场计算结果达到等温工作条件。