CN114841042A - 质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，包括以下步骤：S1.制定气体扩散层的纤维层的体积参数和纤维层层数；S2.根据各层纤维层的目标孔隙率选择目标孔隙率的概率分布类型，并确定概率分布类型的概率分布参数；S3.利用脚本参数化建模方法，根据目标孔隙率的概率分布特征随机生成各层纤维层的目标孔隙率值；S4.根据目标孔隙率值对纤维层进行设计，纤维层内根据纤维模型生成纤维，并拉伸纤维两端使纤维横向贯穿纤维层；S5.纤维层中进行纤维切除并计算纤维层的孔隙率，通过迭代计算纤维层的孔隙率直至满足目标孔隙率要求；S6.各层纤维层设计完成后对各层纤维层进行合并，直至成为整体的气体扩散层。本发明提高建模效率和操作便捷性。

Description

质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体地说，涉及一种质子交换膜燃料电池气体扩散层纤维孔隙结构的建模方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池的水管理问题是决定燃料电池性能的重要因素，由于阴阳极流道的反应气体需要穿过气体扩散层到达催化层进行反应，阴极催化层在反应后生成的液态水需要通过气体扩散层排至流道，否则会堵住反应气路径。因此，气体扩散层的排水性能对燃料电池的性能影响巨大。

为分析气体扩散层的排水性能，首先需要重建其真实的结构。气体扩散层的材料及制造方法导致其结构类似随机摆放的圆柱体，通过手动方法无法建立符合实际的模型，也难以控制其孔隙率，因此有必要开发出一种新的建模方法，控制气体扩散层孔隙率，提高建模效率和操作便捷性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种孔隙率误差可控的脚本参数化建模方法，能够呈现出多孔介质真实孔隙形态，提高建模效率和操作便捷性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，包括以下步骤：

S1.制定气体扩散层的纤维层的体积参数和纤维层层数，纤维层的顶面与上层纤维层的底面相接触，纤维层的底面与下层纤维层的顶面相接触；

S2.根据各层纤维层的目标孔隙率选择目标孔隙率的概率分布类型，并确定概率分布类型的概率分布参数；

S3.利用脚本参数化建模方法，根据目标孔隙率的概率分布特征随机生成各层纤维层的目标孔隙率值；

S4.根据目标孔隙率值对纤维层进行设计，纤维层内根据纤维模型生成纤维，并拉伸纤维两端使纤维横向贯穿纤维层；

S5.纤维层中进行纤维切除并计算纤维层的孔隙率，通过迭代计算纤维层的孔隙率直至满足目标孔隙率要求；

S6.各层纤维层设计完成后对各层纤维层进行合并，直至成为整体的气体扩散层。

进一步地，步骤S1中，气体扩散层的纤维层采用长方体形状，纤维层的体积参数包括纤维层的长度、宽度和厚度。

进一步地，步骤S2中，目标孔隙率的概率分布类型包括单点分布、均匀分布、正态分布或者自定义分布。

进一步地，步骤S3中，脚本参数化建模是基于ANSYS-SpaceClaim脚本并支持Python语言通过调用Python标准库random库的建模方式。

进一步地，步骤S4中，纤维模型采用圆柱体模型，圆柱体的底面的直径小于每层纤维层的厚度。

进一步地，圆柱体的中心轴线在纤维层的中心横截面上，纤维层内生成的纤维交叉排列。

进一步地，纤维层的纤维随机排布，通过在纤维层中心横截面上随机生成两点，两点作为纤维的两个底面的圆心。

进一步地，步骤S4中，纤维两端分别向外拉伸以横向贯穿纤维层，拉伸距离为纤维层的体积参数中最大尺寸的1.5倍。

进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：

S51.设i为层变量，iter为每层纤维的迭代变量，iter＝0为初始状态，纤维层初始孔隙率ε₀＝1；

S52.对于第i层，纤维层的目标孔隙率为ε_t[i]，每迭代生成一条纤维，iter＝iter+1，进行切除纤维操作，更新一次纤维层的孔隙率ε_iter；

S53.计算孔隙率ε_iter是否满足第一迭代条件ε_iter-ε_t[i]＜η，η为误差限，如果孔隙率ε_iter不满足第一迭代条件，返回步骤S52；

S54.如果孔隙率ε_iter满足第一迭代条件，计算孔隙率ε_iter是否满足第二迭代条件ε_iter-ε_t[i]＞-η，如果孔隙率ε_iter满足第二迭代条件，第i层迭代完成，记录纤维层孔隙率迭代数据，开始下层纤维层建模；

S55.如果孔隙率ε_iter不满足第二迭代条件，取消第iter次迭代，第iter次采用自定义插入纤维的方式生成纤维。

进一步地，步骤S52中，孔隙率ε_iter的计算公式为

式中，V_iter-1为第iter-1次迭代完纤维层的孔隙体积，Vf_iter为第iter次迭代纤维层切除的纤s维的体积，V_iter-1-Vf_iter为第iter次迭代完后纤维层的孔隙体积，V₀是该层纤维层的初始总体积。

与现有技术相比，本发明通过随机建模方法，再现了在制造气体扩散层时碳纤维随机分布的特点，解决了手动建模难以呈现多孔介质真实孔隙形态的问题，通过脚本参数化建模，提高建模效率和操作便捷性，设定迭代的终止条件可以调控孔隙率误差精度。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法的具体实施例的流程示意图。

图2为在纤维层中心横截面上随机生成两点的示意图。

图3为纤维层中以随机生成的两点作为纤维两端底面的圆心生成纤维模型的示意图。

图4为纤维层中拉伸纤维两端的示意图。

图5为纤维层中切除纤维后纤维层中心横截面的剖面示意图。

图6为纤维层自定义生成纤维区域划分示意图。

图7为纤维层确定纤维位置的示意图。

图8为目标孔隙率服从正态分布的各层纤维层的叠加模型示意图。

图9为合并各纤维层的气体扩散层的模型示意图。

图10为服从正态分布的各纤维层实际孔隙率分布特征示意图。

图11为目标孔隙率服从正态分布时实际孔隙率误差分布特征示意图。

图12为各纤维层孔隙率均为固定值0.6的气体扩散层的模型示意图。

图13为目标孔隙率为固定值时实际孔隙率误差分布特征示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法作进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层三维孔隙结构随机建模方法，具体包括以下步骤：

S1.制定气体扩散层的纤维层的体积参数和纤维层层数，纤维层的顶面与上层纤维层的底面相接触，纤维层的底面与下层纤维层的顶面相接触。

气体扩散层的纤维层采用长方体形状，纤维层的体积参数包括纤维层的长度、宽度和厚度。纤维层的长度为Lx，纤维层的宽度为Ly，纤维层的厚度为Lz，气体扩散层总的纤维层层数为n。碳纤维的直径一般在5-20微米，为方便建模，在建模时放大1000倍，即采用毫米作为单位，等前处理完成后进一步求解时，尺寸参数再缩放1000倍。

S2.根据各层纤维层的目标孔隙率选择目标孔隙率的概率分布类型，并确定概率分布类型的概率分布参数。

概率分布类型可为单点分布(固定值)、均匀分布、正态分布或者自定义分布。单点分布(固定值)指每一层纤维层目标孔隙率都取相同值c，单点分布(固定值)的密度函数为狄拉克δ函数，狄拉克δ函数为：

狄拉克δ函数的数学性质为除了c值以外的点概率密度都等于零，而在整个定义域上的积分等于1。均匀分布通过设定目标孔隙率的区间参数[lb,ub]进行等概率随机采样，正态分布通过设定目标孔隙率的均值μ和标准差σ参数进行随机采样，自定义分布指符合其他特定分布的采样或者根据实际设计需求自定义每层目标孔隙率值。

S3.利用支持Python的ANSYS-SpaceClaim脚本建模功能，通过调用Python标准库random库，随机生成各层目标孔隙率值ε_t＝[ε₁,ε₂,...,ε_n]，并设定随机种子，保证每次模拟复现出相同结果。

S4.根据目标孔隙率值对纤维层进行设计，纤维层内根据纤维模型生成纤维，并拉伸纤维两端使纤维横向贯穿纤维层。

纤维模型采用圆柱体模型，制定圆柱体的底面的半径，圆柱体的底面直径略小于每层纤维层的厚度，使得进一步进行布尔切除操作时，纤维层不被切分。圆柱体的中心轴线在该纤维层的中心横截面上，纤维层内生成的纤维交叉排列。

每条纤维的排布是通过两个随机点来确定，随机点在该纤维层中心横截面中随机生成，如图2所示，在截面上随机生成两点A点和B点，A、B两点作为纤维的两个底面的圆心，如图3所示，其连线为中心轴线，每两个随机点可以生成一条纤维。为了横向贯穿纤维层，生成的圆柱体两端分别向外拉伸，拉伸距离为纤维层体积参数最大尺寸的1.5倍，如图4所示。生成纤维模型后，与纤维层进行布尔切除操作，中心横截面视图如图5所示。

S5.纤维层中进行纤维切除并计算纤维层的孔隙率，通过迭代计算纤维层的孔隙率直至满足目标孔隙率要求。

设计过程从第一层开始逐次设计，制定迭代终止条件，即指定误差精度ε，通过迭代的方式，当孔隙率与目标孔隙率的误差达到误差精度范围内，停止迭代，完成该层孔隙结构的设计。

其中，步骤S5具体包括以下步骤：

S51.设i为层变量，iter为每层纤维的迭代变量，iter＝0为初始状态，纤维层初始孔隙率ε₀＝1。

S52.对于第i层，纤维层的目标孔隙率为ε_t[i]，每迭代生成一条纤维，iter＝iter+1，进行切除纤维操作，更新一次纤维层的孔隙率ε_iter，孔隙率ε_iter的计算公式为：

式中，V_iter-1为第iter-1次迭代完纤维层的孔隙体积，Vf_iter为第iter次迭代纤维层切除的纤维的体积，V_iter-1-Vf_iter为第iter次迭代完后纤维层的孔隙体积，V₀是该层纤维层的初始总体积。

S53.计算孔隙率ε_iter是否满足第一迭代条件ε_iter-ε_t[i]＜η，式中，η为误差限，如果不满足第一迭代条件ε_iter-ε_t[i]＜η，返回到步骤S52。

S54.如果孔隙率ε_iter满足第一迭代条件ε_iter-ε_t[i]＜η，计算孔隙率ε_iter是否满足第二迭代条件ε_iter-ε_t[i]＞-η。

如果孔隙率ε_iter满足第二迭代条件ε_iter-ε_t[i]＞-η，第i层迭代完成，记录该层纤维层孔隙率迭代数据，开始下一层建模，i＝i+1。如果不满足i＝n+1，返回到步骤S51；如果满足i＝n+1，则各层纤维层建模完成。

S55.如果孔隙率ε_iter不满足第二迭代条件ε_iter-ε_t[i]＞-η，取消第iter次迭代，第iter次采用自定义插入纤维的方式生成纤维。

定义第iter条纤维排列方向平行于纤维层中心横截面的对角线，如图6所示，有四个分布形式，左上D0，左下D1，右下D2和右上D3，通过取余的方式选择分布区域，设t为自定义纤维插入次序，在Python编程中取余表达为t％4，确保连续插入自定义纤维时不集中在同一区域。

纤维层中心横截面以正方形为例，设边长为L，纤维模型半径为r，为简化计算，厚度为2r。在D0区域纤维中心轴线与边相交，交点与右下角距离为h，如图7所示，则生成一条纤维占总体积的比例Pf与h的关系为：

为保证纤维不在其他区域生成，应满足

编程中，利用公式

适当调节h，可以控制最后一条纤维的位置以及体积，通过布尔操作后满足孔隙率要求，h可以用以下公式计算：

式中，ε_iter-1指取消第iter迭代后纤维层的孔隙率。

如果计算结果超过上限，以上限为准，生成纤维作为第iter次迭代，返回步骤S53。如果低于下限，停止迭代，开始下一层建模，i＝i+1。如果不满足i＝n+1，返回到步骤S51；如果满足i＝n+1，则各层建模完成。

S6.完成所有纤维层设计后，通过布尔操作合并各层纤维层，成为一个整体的气体扩散层。

以孔隙率为正态分布为例，均值μ为0.6，标准差σ为0.06，圆柱体纤维模型的底面半径为4mm，每层纤维层的长度、宽度和厚度分别为100mm、100mm、10mm，误差限设定为±0.003，各层模型如图8所示，合并后如图9所示，各层纤维层孔隙率的分布特征如图10所示，服从正态分布，误差分布如图11所示。由图11可知，每层纤维层的孔隙率均在误差范围内，满足精度要求。

以孔隙率为单点分布(固定值0.6)作为目标孔隙率，圆柱体纤维模型的底面半径为4mm，每层纤维层的长度、宽度和厚度分别为100mm、100mm、10mm，误差限设定为±0.003，通过本发明方法建模结果如图12所示，各层纤维层孔隙率的分布如图13所示。由图13可知，每层纤维层的孔隙率均在误差范围内，满足精度要求。

综上，本发明通过随机建模方法，再现了碳纤维在制造气体扩散层时随机分布的特点，解决了手动建模难以呈现多孔介质真实孔隙形态的问题，通过脚本参数化建模，提高建模效率和操作便捷性，设定迭代的终止条件可以调控孔隙率误差精度。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所揭示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.制定气体扩散层的纤维层的体积参数和纤维层层数，纤维层的顶面与上层纤维层的底面相接触，纤维层的底面与下层纤维层的顶面相接触；

S2.根据各层纤维层的目标孔隙率选择目标孔隙率的概率分布类型，并确定概率分布类型的概率分布参数；

S3.利用脚本参数化建模方法，根据目标孔隙率的概率分布特征随机生成各层纤维层的目标孔隙率值；

S4.根据目标孔隙率值对纤维层进行设计，纤维层内根据纤维模型生成纤维，并拉伸纤维两端使纤维横向贯穿纤维层；

S5.纤维层中进行纤维切除并计算纤维层的孔隙率，通过迭代计算纤维层的孔隙率直至满足目标孔隙率要求；

S6.各层纤维层设计完成后对各层纤维层进行合并，直至成为整体的气体扩散层。

2.如权利要求1的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S1中，气体扩散层的纤维层采用长方体形状，纤维层的体积参数包括纤维层的长度、宽度和厚度。

3.如权利要求1的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S2中，目标孔隙率的概率分布类型包括单点分布、均匀分布、正态分布或者自定义分布。

4.如权利要求1的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S3中，脚本参数化建模是基于ANSYS-SpaceClaim脚本并支持Python语言通过调用Python标准库random库的建模方式。

5.如权利要求1的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S4中，纤维模型采用圆柱体模型，圆柱体的底面的直径小于每层纤维层的厚度。

6.如权利要求5的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，圆柱体的中心轴线在纤维层的中心横截面上，纤维层内生成的纤维交叉排列。

7.如权利要求6的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，纤维层的纤维随机排布，通过在纤维层中心横截面上随机生成两点，两点作为纤维的两个底面的圆心。

8.如权利要求1的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S4中，纤维两端分别向外拉伸以横向贯穿纤维层，拉伸距离为纤维层的体积参数中最大尺寸的1.5倍。

9.如权利要求1的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：

S51.设i为层变量，iter为每层纤维的迭代变量，iter＝0为初始状态，纤维层初始孔隙率ε₀＝1；

S52.对于第i层，纤维层的目标孔隙率为ε_t[i]，每迭代生成一条纤维，iter＝iter+1，进行切除纤维操作，更新一次纤维层的孔隙率ε_iter；

S53.计算孔隙率ε_iter是否满足第一迭代条件ε_iter-ε_t[i]＜η，η为误差限，如果孔隙率ε_iter不满足第一迭代条件，返回步骤S52；

S54.如果孔隙率ε_iter满足第一迭代条件，计算孔隙率ε_iter是否满足第二迭代条件ε_iter-ε_t[i]＞-η，如果孔隙率ε_iter满足第二迭代条件，第i层迭代完成，记录纤维层孔隙率迭代数据，开始下层纤维层建模；

S55.如果孔隙率ε_iter不满足第二迭代条件，取消第iter次迭代，第iter次采用自定义插入纤维的方式生成纤维。

10.如权利要求9的质子交换膜燃料电池气体扩散层的孔隙建模方法，其特征在于，步骤S52中，孔隙率ε_iter的计算公式为

式中，V_iter-1为第iter-1次迭代完纤维层的孔隙体积，Vf_iter为第iter次迭代纤维层切除的纤维的体积，V_iter-1-Vf_iter为第iter次迭代完后纤维层的孔隙体积，V₀是该层纤维层的初始总体积。

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