CN112599820A - 燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法，该方法首先对单池压降特性进行计算，获得压降与流量的关系，推导出用于电堆流量分配计算采用多孔介质法所需要的参数。接下来对完成几何简化的电堆三腔进行流量分配计算，其分配结果作为电堆温度分布计算的输入，再配合电堆温度计算简化几何模型，可完成电堆温度分布预测。该方法可扩展于以上因素对流体分配的影响程度研究；本方法最终获得电堆内较详细的温度分布情况，弥补了测试中监测点有限以及监测困难等不足。

Description

燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法。

背景技术

在燃料电池的研发过程中，水管理是设计过程中不可忽视的问题，它关系到电池排水、膜的导电性等，进而影响到性能、寿命的优劣。水的冷凝或蒸发情况也因温度变化而变化，即水的含量也受电池温度的影响。在电堆的工作过程中，温度分布很难达到均匀。对电堆温度分布进行可靠预测能加强对其内部水分布的认识、监测，以促进对设计的优化。

申请号为CN 110336057A的专利公开了一种交叉流电堆二维温度分布观测器构建方法及其应用，通过电堆进出口温度实测值验证校对，预测电池内部的温度分布情况，但这些方法需要结合实验实时检测电堆进出口温度，以作为内部温度分布预测的依据或判断标准；由于技术方案中对电堆内温度的预测，通常缺少对电化学、传热学的耦合，往往从电堆进出口温度的实测值出发，通过线性或非线性计算去匹配电堆内部的温度，其预测值的准确性验证比较间接。

文献《高温质子交换膜燃料电池堆性能的数值模拟研究》介绍了无液态水情况下，高温燃料电池堆中采用冷却板时温度分布预测情况；该技术方案是基于电化学、传热耦合的方法，针对高温燃料电池，忽略质子交换膜内水分的传输，不考虑液态水生成，计算中没有液态水生成、转换、输运等机理的加入，且认为膜电极中各材料具有各向同性，最终获得电堆一维温度分布；另外该文件中算法不明确，不适用于低温(低于100℃)燃料电池；前期在电堆流量分配计算中没有考虑到进口歧管结构差异带来的影响。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法，该方法首先对单池压降特性进行计算，获得压降与流量的关系，推导出用于电堆流量分配计算采用多孔介质法所需要的参数。接下来对完成几何简化的电堆三腔进行流量分配计算，其分配结果作为电堆温度分布计算的输入，再配合电堆温度计算简化几何模型，可完成电堆温度分布预测，具体采用如下步骤：

通过单池三腔的流动计算获得体积流量Q与三腔进出口压力降的关系，根据流通面积A将体积流量转换为流速，建立单池三腔流动压力降与流速的关系，通过一元二次方程的拟合进而建立起流动速度V、粘性阻力系数1/α、惯性阻力系数C、流道长度L、流体密度ρ、粘度μ与压力降△P的关系；

简化电堆流量分配计算中单池的几何模型，将单池的真实几何流道、形状采用六面体表征，该六面体具有与真实单池相同的流通面积A和流通长度L，不改变单池的厚度仅改变流动过程中的方向和截面积，并保持电堆公用通道进出口歧管真实流通结构不变；

针对空气腔、氢气腔、冷却腔进行电堆中各节单池流量分配的数值模拟；

采用近似单流道的方法简化准三维温度分布计算中的各节单池的几何模型；

修正电堆温度计算时的三腔流量，基于单池各流道中的水流量分布情况、以其中最低的流道水流量作为电堆简化后的单池水流量输入，获得单池极板上的最高温度分布，将空气腔和氢气腔单池中每根流道的平均值作为两个气腔的流量修正值；

数值模拟燃料电池流动、电化学、多相流、传热多物理场耦合过程。

进一步的，通过单池三腔的流动计算，得到体积流量Q与三腔进出口压力降的关系，根据流通面积A将体积流量转换为流速，找到压力降与流速之间的一元二次关系式：

进气体积流量Q向进气速度V的转换：

Q＝AV (1)

根据三组或三组以上速度与压力降的关系，拟合截距为0的一元二次关系式：

△P＝aV²+bV (2)

而针对多孔介质建立起的流动压力降由粘性损失和惯性损失组成，如下式：

△P＝(C)1/2ρLV²+(1/α)μLV (3)

对比公式(2)和公式(3)得到两个阻力：

1/α＝b/(μL) (4)

C＝2a/(ρL) (5)

其中流通面积A为公用通道进入单池时的流通面积，流道长度L是单池进出口截面上对应位置的连线长度。

进一步的，简化电堆流量分配计算中单池的几何模型，将单池的真实几何流道、形状采用六面体表征，该六面体具有与真实单池相同的流通面积A和流通长度L，不改变单池的厚度仅改变流动过程中的方向和截面积，并保持电堆公用通道进出口歧管真实流通结构不变；

进一步的，针对空气腔、氢气腔、冷却腔进行电堆中各节单池流量分配数值的模拟时：

对简化的单池流动区域进行区域类型设置及参数控制，首先将该流动区域定义为层流和多孔介质，在多孔介质的计算中输入粘性阻力系数和惯性阻力系数，采用公式(2)进行流体在该区域中流动时的压力降拟合，计算基于SIMPLE算法求解连续方程和动量方程，通过对压力场和速度场的迭代修正，获得收敛解，进而统计出电堆中的各节单池的流量分配结果；

进一步的，采用近似单流道的方法简化准三维温度分布计算中的各节单池的几何模型时：

保持反应气沿流动方向的长度和电池厚度方向的高度尺寸不变，变化流道的数量将一个单池简化为一个类似于单流道的几何模型，极板上保留空气腔、氢气腔以及冷却腔，该几何模型的宽度减小到一个冷却腔流道周期的尺寸并包括膜电极和双极板，氢气腔和空气腔的横截面形状、尺寸与真实模型相同，将冷却腔流道简化为长方体其高度保持与真实高度相同。

进一步的，在燃料电池中流动、电化学、多相流、传热等多物理场耦合的数值模拟过程中：

其中多相流计算时膜电极内考虑膜态水、气态水和液态水相互转换，在流道中仅存在膜态水和液态水，且液态水将以水雾的形态存在；

传热计算中，需要将电堆进口端和盲端外表面的对流换热、热辐射做出估算，以用于第二类换热边界条件的确定；

在电化学计算中采用均相模型，将催化层看作催化剂、树脂、孔隙组成的相均匀分布的连续体，考虑活化损失、欧姆损失和传质损失，其中在传质损失的计算中考虑了树脂、液态水对氧气传质的影响；

最终通过电堆简化模型的多物理场耦合计算，获得电堆各节温度分布情况。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法，本方法中在燃料电池电堆流体分配计算以及温度计算提出了一种可操作性强的方法，可针对任意流道形状的单池、任意节数的电堆进行流量分配和温度分布的预估，该方法采用多孔介质替代法，求解出各节单池的流量分配情况，计算中考虑了电堆进口几何结构、公用通道几何形状、极板厚度、膜电极厚度对流体分配的影响，因此，该方法可扩展于以上因素对流体分配的影响程度研究；本方法最终获得电堆内较详细的温度分布情况，弥补了测试中监测点有限以及监测困难等不足。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法中电堆温度分布计算流程图；

图2为本发明中单池的几何简化示意图；

图3为本发明中电堆流体分配计算使用的简化构型示意图；

图4为本发明中50节电堆温度分布计算与测试对比示意图；

图中：1代表电堆进口公用通道，2代表流量分配计算阶段几何简化后的三腔单池，3代表电堆出口公用通道，4代表流量分配计算阶段几何简化后单池的流通长度L，5代表电堆进口歧管，6代表电堆出口歧管。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法，本方法从单池流动、电堆流动、电堆传热、电堆电化学层次开展了对准三维电堆温度分布的求解，最终计算结果中包括电堆中各节沿反应气体流动方向的温度分布、组分浓度分布、电流分布等，总体上计算流程见图1，以下将具体的计算步骤进行介绍。

步骤一：单池三腔(空气腔、氢气腔、冷却腔)流动数值模拟

单池三腔的流动数值模拟对象是真实的三腔流道，根据相应的几何处理、网格划分、网格文件生成、开展计算，计算中采用SIMPLE算法求解连续方程和动量方程，通过对压力场和速度场的迭代修正，获得收敛解。可计算三腔流体在电池工作条件下的流动情况，以及电池进出口压力降，改变流体流量Q后，可得到不同流量下的电池进出口压力降△P。

步骤二：建立单池三腔流动压力降与流速的关系

由于三腔内的流动通常认为是层流，可结合多孔介质中层流的粘性损失与高速流的惯性损失，建立起流动速度V、粘性阻力系数1/α、惯性阻力系数C、流道长度L、流体密度ρ、粘度μ与压力降△P的关系，为后续电堆流量分配计算简化提供两个阻力系数。通过单池三腔的流动计算(步骤一)，已经得到体积流量Q与三腔进出口压力降的关系，现在需要根据流通面积A将体积流量转换为流速，找到压力降与流速之间的一元二次关系式(截距为0)。

进气体积流量Q向进气速度V的转换：

Q＝AV (1)

根据三组或三组以上速度与压力降的关系，拟合出一个截距为0的一元二次关系式：

△P＝aV²+bV (2)

而针对多孔介质，建立起的流动压力降由粘性损失和惯性损失组成，如下式：

△P＝(C)1/2ρLV²+(1/α)μLV (3)

对比式2与式3，可得到两个阻力：

1/α＝b/(μL) (4)

C＝2a/(ρL) (5)

上式中流通面积A为公用通道进入单池时的流通面积，流道长度L是单池进出口截面上对应位置的连线长度。

步骤三：电堆流量分配计算中对单池的几何模型简化

单池流动计算时生成的网格数量约500～1000万，这是计算资源可接受的网格量，如果在50节或更多节数的电堆计算中不进行几何模型的简化，其计算成本是不可估量的。为减少网格数量，缩短计算时长，节约计算成本，在计算电堆中各节单池的流量分配时，首先需要完成单池的几何简化。本专利在该阶段中对单池的几何简化主要是将单池的真实几何流道、形状，用一个六面体(2)来表征，如图2所示。该长方体具有与真实单池相同的流通面积A和流量分配计算阶段几何简化后单池的流通长度L4。简化时不改变单池的厚度，仅改变流动过程中的方向和截面积。保持电堆公用通道即电堆进口公用通道1和电堆出口公用通道3，进出口歧管(即电堆进口歧管5和电堆出口歧管5)等真实流通结构，如图3所示。

步骤四：电堆流量分配数值模拟

分别针对三腔进行电堆中各节单池流量分配数值模拟，在模拟过程中，需要针对简化的单池流动区域进行区域类型设置及参数控制。首先对该流动区域定义为层流以及多孔介质，在多孔介质的计算中输入粘性阻力系数和惯性阻力系数，计算中会按照公式2进行流体在该区域中流动时的压力降拟合。计算基于SIMPLE算法求解连续方程和动量方程，通过对压力场和速度场的迭代修正，获得收敛解。

步骤五：电堆温度分布计算中对单池的几何模型简化

在电池的多物理场耦合(流动、多相流、传热、电化学)计算中，求解方程多，对计算资源提出了较高要求。而本专利中电堆温度分布的求解采用的正是多物理场耦合的方法，其计算量随着电堆的节数增多而增大，不利于在工程中的实际应用。为减少电堆计算时间，需要对电堆的几何模型进行大幅度的简化。该阶段的几何简化中，保持反应气沿流动方向的长度和电池厚度方向的高度尺寸不变，仅变化流道的数量，将一个单池简化为一个类似于单流道的几何模型，极板上保留空气腔、氢气腔以及冷却腔。该几何模型的宽度减小到一个冷却腔流道周期的尺寸，包括膜电极和双极板，氢气腔和空气腔的横截面形状、尺寸与真实模型相同，冷却腔流道横截面简化为长方形，其高度保持与真实高度相同，忽略截面形状对换热效果的影响。

步骤六：三腔流量的修正

单池中温度分布主要受到水流量的影响，水流动分配、传热特点，决定了单池上的温度分布不均匀，极板上最高温度一般出现于水流量最低的流道出口位置，而计算获取电堆中各节极板的最高温度分布，对电堆设计具有十分重要的参考意义。通过第一步单池冷却腔的流动计算，可以得到单池各流道中的水流量分布情况，以其中最低的流道水流量作为电堆简化后的单池水流量输入，即可得到单池极板上的最高温度分布。而空气腔和氢气腔的流量可采用相应单池中每根流道的平均值，以作为两个气腔的流量修正值。

步骤七：流动、电化学、多相流、传热耦合计算

燃料电池工作状态中是一个复杂的物理化学过程，其中涉及到流动、多相流、传热、电化学等过程，计算中需要将以上因素全部考虑，求解电荷守恒、质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒，各方程中加入了电化学反应过程引起的相应源相变化。其中多相流计算时膜电极内考虑膜态水、气态水和液态水相互转换，在流道中仅存在膜态水和液态水，且液态水将以水雾的形态存在。传热计算中，需要将电堆进口端和盲端外表面的对流换热、热辐射做出估算，以用于第二类换热边界条件的确定。在电化学计算中采用均相模型，将催化层看作催化剂、树脂、孔隙组成的相均匀分布的连续体，考虑活化损失、欧姆损失和传质损失，其中在传质损失的计算中考虑了树脂、液态水对氧气传质的影响。最终通过电堆简化模型的多物理场耦合计算，可获得电堆各节温度分布情况。图4给出了50节电堆计算与测试结果的对比情况，其中测试采用了热电偶进行了实时监测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池堆准三维多物理场耦合温度分布预测方法，其特征在于包括：

通过单池三腔的流动计算获得体积流量Q与三腔进出口压力降的关系，根据流通面积A将体积流量转换为流速，建立单池三腔流动压力降与流速的关系，通过一元二次方程的拟合进而建立起流动速度V、粘性阻力系数1/α、惯性阻力系数C、流道长度L、流体密度ρ、粘度μ与压力降△P的关系；

简化电堆流量分配计算中单池的几何模型，将单池的真实几何流道、形状采用六面体表征，该六面体具有与真实单池相同的流通面积A和流通长度L，不改变单池的厚度仅改变流动过程中的方向和截面积，并保持电堆公用通道进出口歧管真实流通结构不变；

针对空气腔、氢气腔、冷却腔进行电堆中各节单池流量分配的数值模拟；

采用近似单流道的方法简化准三维温度分布计算中的各节单池的几何模型；

修正电堆温度计算时的三腔流量，基于单池各流道中的水流量分布情况、以其中最低的流道水流量作为电堆简化后的单池水流量输入，获得单池极板上的最高温度分布，将空气腔和氢气腔单池中每根流道的平均值作为两个气腔的流量修正值；

数值模拟燃料电池流动、电化学、多相流、传热多物理场耦合过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：通过单池三腔的流动计算，得到体积流量Q与三腔进出口压力降的关系，根据流通面积A将体积流量转换为流速，找到压力降与流速之间的一元二次关系式：

进气体积流量Q向进气速度V的转换：

Q＝AV (1)

根据三组或三组以上速度与压力降的关系，拟合截距为0的一元二次关系式：

△P＝aV²+bV (2)

而针对多孔介质建立起的流动压力降由粘性损失和惯性损失组成，如下式：

△P＝(C)1/2ρLV²+(1/α)μLV (3)

对比公式(2)和公式(3)得到两个阻力：

1/α＝b/(μL) (4)

C＝2a/(ρL) (5)

其中流通面积A为公用通道进入单池时的流通面积，流道长度L是单池进出口截面上对应位置的连线长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：采用近似单流道的方法简化准三维温度分布计算中的各节单池的几何模型时：

保持反应气沿流动方向的长度和电池厚度方向的高度尺寸不变，变化流道的数量将一个单池简化为一个类似于单流道的几何模型，极板上保留空气腔、氢气腔以及冷却腔，该几何模型的宽度减小到一个冷却腔流道周期的尺寸并包括膜电极和双极板，氢气腔和空气腔的横截面形状、尺寸与真实模型相同，将冷却腔流道简化为长方体其高度保持与真实高度相同。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征还在于：针对空气腔、氢气腔、冷却腔进行电堆中各节单池流量分配数值的模拟时：

对简化的单池流动区域进行区域类型设置及参数控制，首先将该流动区域定义为层流和多孔介质，在多孔介质的计算中输入粘性阻力系数和惯性阻力系数，采用公式(2)进行流体在该区域中流动时的压力降拟合，计算基于SIMPLE算法求解连续方程和动量方程，通过对压力场和速度场的迭代修正，获得收敛解，进而统计出电堆中的各节单池的流量分配结果；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：在燃料电池中流动、电化学、多相流、传热等多物理场耦合的数值模拟过程中：

其中多相流计算时膜电极内考虑膜态水、气态水和液态水相互转换，在流道中仅存在膜态水和液态水，且液态水将以水雾的形态存在；

传热计算中，需要将电堆进口端和盲端外表面的对流换热、热辐射做出估算，以用于第二类换热边界条件的确定；

在电化学计算中采用均相模型，将催化层看作催化剂、树脂、孔隙组成的相均匀分布的连续体，考虑活化损失、欧姆损失和传质损失，其中在传质损失的计算中考虑了树脂、液态水对氧气传质的影响；

最终通过电堆简化模型的多物理场耦合计算，获得电堆各节温度分布情况。

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