CN114976099A - 一种燃料电池双极板流道优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池双极板流道优化设计方法，该方法包括：S1、基于电流密度和双极板活性面积求取气体流量；S2、基于气体流量计算反应产生的热流量；S3、根据热流量计算所需冷却水的下限质量流量；S4、初步设计流道尺寸；S5、根据流道尺寸计算冷却水压降；S6、若冷却水压降在设定阈值范围，则冷却效果达到要求，流道尺寸设计合理，进一步进行建模仿真，通过精确计算进行流道尺寸的精密优化，否则，返回步骤S4。与现有技术相比，本发明能够实现双极板流道的快速优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池双极板流道优化设计方法。
背景技术
为了更好地应对能源安全问题，并尽早达成双碳目标，国内正经历着由化石能源向非化石能源的重大转变。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将燃料的化学能转化为电能而无需通过燃烧的装置，对环境的污染程度低，高效环保。它能够有效地推动能源的可持续发展，避免化石燃料的限制，近年来得到了深入的研究。但由于其制造成本较高、体积比功率密度不够高和寿命不足等瓶颈问题，严重阻碍了其广泛的商业化应用。
目前国内燃料电池交通应用仍处于小规模应用阶段，主要集中在客运大巴和物流用车。若想要应用于乘用车等小型汽车上，就要保证整个燃料电池装置占用空间不能过大，在保证提供足够功率的前提下，尽量减小其体积，即提高电堆的体积比功率密度。根据美国能源部(DOE)的估计，双极板在燃料电池堆中占总成本的20-30％，总重量的60％-80％和总体积的80％以上。因此在保证现有性能不降低、面积不减少的前提下，进一步缩小双极板的整体厚度，将是提高燃料电池体积比功率密度的最佳方法之一。
PEMFC商业应用最关键的挑战之一就是提高功率密度。目前丰田二代Mirai汽车体积比功率密度已经达到5.4kW/L(不包括端板)，但与传统内燃机6.0kW/L以上的水平还需要进一步提高，且还要尽可能保证性能的上升和成本的下降。
中国专利文献CN112768720A提供了一种一板三场式超薄燃料电池双极板及燃料电池堆，流场板上阳极侧设置燃料气体流道和冷却液流道，间隔排布，与盖板紧密配合形成燃料气体流场和冷却液流场，阴极侧设置氧化气体流道。与现有技术相比，将三种流场集中于一块板上大大减小了双极板厚度，进而使电堆的体积得以大大缩小，提升了电堆体积比功率密度。但该设计会导致冷却液流道数量减半，冷却效果是否仍然可以满足要求需要进一步评估，从而实现对流道的优化。目前缺少对双极板冷却效果评估并进行流道优化的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池双极板流道优化设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池双极板流道优化设计方法，该方法包括：
S1、基于电流密度和双极板活性面积求取气体流量；
S2、基于气体流量计算反应产生的热流量；
S3、根据热流量计算所需冷却水的下限质量流量；
S4、初步设计流道尺寸；
S5、根据流道尺寸计算冷却水压降；
S6、若冷却水压降在设定阈值范围，则冷却效果达到要求，流道尺寸设计合理，进一步进行建模仿真，通过精确计算进行流道尺寸的精密优化，否则，返回步骤S4。
优选地，步骤S1求取气体流量具体为：
对于待优化的燃料电池，确定所需电流密度为j，活性面积为A，计算所需氢气的理论摩尔流量
i＝j·A
其中，i为产生的电流，F为法拉第常数，n代表每个化学反应结果导致n个电子的传输。
优选地，步骤S2反应产生的热流量通过如下方式获得：
其中，
为反应产生的热流量，
为所需氢气的理论摩尔流量，Δhrxn为反应焓，Δhf(H2O(l))为工作温度为Ts时水的生成焓，Δhf(H2)为工作温度为Ts时氢气的生成焓，Δhf(O2)为工作温度为Ts时氧气的生成焓，
为标准态生成焓，cp(T)为定压摩尔比热容函数，T为温度变量，T0为标准态温度，Ts为燃料电池工作温度。
优选地，气体的定压摩尔比热容函数表示为：
cp(T)＝A+0.001BT+C×10-5T2+D×10-6T2
其中，A，B，C，D为与气体相关的常系数；
液体的定压摩尔比热容通过查表方式获取。
优选地，步骤S3通过如下方式计算得到：
其中，
为所需冷却水的下限质量流量，
为反应产生的热流量，ΔT为设定的冷却水温变，c为水的比热容。
优选地，步骤S4中设计流道尺寸包括冷却水流道的尺寸，冷却水流道截面设计为梯形，冷却水流道的尺寸参数包括：冷却水流道的长度、冷却水流道的深度、冷却水流道的上下宽度。
优选地，步骤S5冷却水压降通过如下方式获取：
其中，ΔP为冷却水压降，f为冷却水流道的摩擦因子，l为冷却水流道的长度，ρ为水的密度，
为冷却水冷速，D为冷却流道的水力直径，
为所需冷却水的下限质量流量，k为冷却水流道数，
为冷却水流道的深度，a、b为冷却水流道的上下宽度。
优选地，该方法用于一种一板三场式超薄燃料电池双极板的流道优化设计，所述的一板三场式超薄燃料电池双极板包括一张流场板，流场板上阳极侧设置燃料气体流道和冷却液流道，间隔排布，流场板上阴极侧设置氧化气体流道。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供了一种燃料电池双极板流道优化设计方法，通过初步设计的流道尺寸来确定冷却水压降，通过冷却水压降实现冷却效果的评估，根据评估结果确定初步确定流道尺寸设计是否合理，若合理则通过建模仿真进行进一步的优化，若不合理则重新设计流道尺寸，此方法能够快速实现双极板流道的冷却水效果的初步评估，从而避免了直接采用建模仿真而导致的大量无效工作，本发明方法大大提高了燃料电池双极板流道优化设计方法的效率，适用于工程应用。
附图说明
图1为本发明一种燃料电池双极板流道优化设计方法的流程框图；
图2为本发明实施例中一板三场式超薄燃料电池双极板的结构示意图。
图中，1为氢气流道，2为空气流道，3为冷却水流道，4为盖板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种燃料电池双极板流道优化设计方法，该方法包括：
S1、基于电流密度和双极板活性面积求取气体流量；
S2、基于气体流量计算反应产生的热流量；
S3、根据热流量计算所需冷却水的下限质量流量；
S4、初步设计流道尺寸；
S5、根据流道尺寸计算冷却水压降；
S6、若冷却水压降在设定阈值范围，则冷却效果达到要求，流道尺寸设计合理，进一步进行建模仿真，通过精确计算进行流道尺寸的精密优化，否则，返回步骤S4。
本发明提供的种燃料电池双极板流道优化设计方法，通过初步设计的流道尺寸来确定冷却水压降，通过冷却水压降实现冷却效果的评估，根据评估结果确定初步确定流道尺寸设计是否合理，若合理则通过建模仿真进行进一步的优化，若不合理则重新设计流道尺寸，此方法能够快速实现双极板流道的冷却水效果的初步评估，从而避免了直接采用建模仿真而导致的大量无效工作，本发明方法大大提高了燃料电池双极板流道优化设计方法的效率，适用于工程应用。
以下对本发明的实施步骤进行具体说明。
步骤S1求取气体流量具体为：
对于待优化的燃料电池，确定所需电流密度为j(A/cm2)，活性面积为A(cm2)，取垂直于流道流动方向的截面(视为等腰梯形)进行计算所需氢气的理论摩尔流量
i＝j·A
其中，i为产生的电流(A)，F为法拉第常数(C/mol)，n代表每个化学反应结果导致n个电子的传输。
与此同时，根据化学当量条件
和氢气体积分数
可计算出氢气的实际摩尔流量
燃料电池中发生的反应如下：
由以上反应式可知理论所需氧气流量为氢气流量的1/2，再根据化学当量条件
和空气中氧气体积分数
计算出所需空气的实际摩尔流量
步骤S2反应产生的热流量通过如下方式获得：
其中，
为反应产生的热流量(kJ/s)，
为所需氢气的理论摩尔流量，Δhrxn为反应焓(kJ/mol)，Δhf(H2O(l))为工作温度为Ts时水的生成焓，Δhf(H2)为工作温度为Ts时氢气的生成焓，Δhf(O2)为工作温度为Ts时氧气的生成焓，
为标准态生成焓(T0＝298.15K，P＝1atm)，查表可知，
cp(T)为定压摩尔比热容函数，单位为kJ/mol·K，T为温度变量，T0为标准态温度，Ts为燃料电池工作温度。
气体的定压摩尔比热容函数表示为：
cp(T)＝A+0.001BT+C×10-5T2+D×10-6T2
其中，A，B，C，D为与气体相关的常系数，氢气氧气参数数值如表1所示：
表1氢气氧气的定压摩尔比热容参数值
液体的定压摩尔比热容通过查表方式获取。
步骤S3通过如下方式计算得到：
其中，
为所需冷却水的下限质量流量，
为反应产生的热流量，ΔT为设定的冷却水温变，c为水的比热容。
步骤S4中设计流道尺寸包括冷却水流道的尺寸，冷却水流道截面设计为梯形，冷却水流道的尺寸参数包括：冷却水流道的长度、冷却水流道的深度、冷却水流道的上下宽度。
步骤S5冷却水压降通过如下方式获取：
其中，ΔP为冷却水压降，f为冷却水流道的摩擦因子，l为冷却水流道的长度，ρ为水的密度，
为冷却水冷速，D为冷却流道的水力直径，
为所需冷却水的下限质量流量，k为冷却水流道数，
为冷却水流道的深度，a、b为冷却水流道的上下宽度。
本实施例将上述流道优化设计用于一种一板三场式超薄燃料电池双极板的流道优化设计，一板三场式超薄燃料电池双极板的结构如图2所示，包括一张流场板，流场板上阳极侧设置氢气流道1和冷却水流道3，氢气流道1和冷却水流道3间隔排布，流场板上阴极侧设置空气流道2，双极板还包括置于流场板阳极侧用于将位于活性区的冷却水流道3与氢气流道1分隔开的盖板4。此实施例一种一板三场式超薄燃料电池双极板为本课题组在先申请的专利，其公开文献为CN112768720A，本实施例中不再对双极板的具体设计结构进行细致说明。
本实施例中，对于所需电流密度为0.5、1.0、2.0A/cm2，活性面积为300cm2的燃料电池，取垂直于流道流动方向的截面(等腰梯形)进行计算，部分物理特性参数如表2所示：
表2部分物理特性参数数值
基于表2中的数据进行计算得到气体流量，通过计算反应焓Δhrxn(kJ/mol)，可求得氢气反应释放的热量，再根据求得的理论氢气流量(mol/s)计算理论产生的热流量
计算过程中，在Ts＝353.15K时，Δhf(H2)＝2.116kJ/mol，Δhf(O2)＝1.724kJ/mol，Δhf(H2O(l))＝-281.672kJ/mol，进一步可求得Δhrxn＝-284.65kJ/mol，再由：
得出对应电流密度下产生的热流量。
假设产生的热量可由冷却水及时全部吸收
气体流道和冷却水流道等宽，冷却水温变为ΔT，则可得出所需冷却水下限质量流量
求出冷却水质量流量，初步确定流道尺寸后，可进一步得出冷却水压降ΔP(kPa)。
在本实施例中，氢气流道和冷却水流道间隔平行排布，其中冷却水流道数25，即k＝25，氢气流道数为24，其中氢气流道高度-冷却水盖板厚度＝冷却水流道高度＝空气流道高度。本实施例中，
d盖板＝0.1mm，
板件材料厚度0.1mm，a＝0.8mm，b＝1.0mm，l＝300mm，由此可计算出冷却水流速与压降，见表3。
表3计算结果汇总
根据得出的冷却水压降，可初步判断一板三场式超薄燃料电池双极板中冷却效果是否可以达到实际要求或规定，若不满足可重新设计流道尺寸直到达到实际要求或规定。
冷却水压降一般在50kpa以内，因此于表3中的数据可知，流道的设计满足要求。本实施例所基于的一板三场式超薄燃料电池双极板从结构角度大大降低了双极板的厚度，提升电堆体积比功率密度。此外，跟常规的设计流场设计相比，本设计下的冷却液由于和反应面距离更近而冷却效果更好，内部温度更均匀，导电导热性能有所提升，这将有利于电堆寿命的增加。同时，通过本发明的流道设计方法进行了流道尺寸的优化设计，优化过程效率高，适用于实际工程应用。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
Claims (8)
1.一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，该方法包括：
S1、基于电流密度和双极板活性面积求取气体流量；
S2、基于气体流量计算反应产生的热流量；
S3、根据热流量计算所需冷却水的下限质量流量；
S4、初步设计流道尺寸；
S5、根据流道尺寸计算冷却水压降；
S6、若冷却水压降在设定阈值范围，则冷却效果达到要求，流道尺寸设计合理，进一步进行建模仿真，通过精确计算进行流道尺寸的精密优化，否则，返回步骤S4。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，步骤S1求取气体流量具体为：
对于待优化的燃料电池，确定所需电流密度为j，活性面积为A，计算所需氢气的理论摩尔流量
i＝j·A
其中，i为产生的电流，F为法拉第常数，n代表每个化学反应结果导致n个电子的传输。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，步骤S2反应产生的热流量通过如下方式获得：
其中，
为反应产生的热流量，
为所需氢气的理论摩尔流量，Δhrxn为反应焓，Δhf(H2O(l))为工作温度为Ts时水的生成焓，Δhf(H2)为工作温度为Ts时氢气的生成焓，Δhf(O2)为工作温度为Ts时氧气的生成焓，
为标准态生成焓，cp(T)为定压摩尔比热容函数，T为温度变量，T0为标准态温度，Ts为燃料电池工作温度。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，气体的定压摩尔比热容函数表示为：
cp(T)＝A+0.001BT+C×10-5T2+D×10-6T2
其中，A，B，C，D为与气体相关的常系数；
液体的定压摩尔比热容通过查表方式获取。
5.根据权利要求3所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，步骤S3通过如下方式计算得到：
其中，
为所需冷却水的下限质量流量，
为反应产生的热流量，ΔT为设定的冷却水温变，c为水的比热容。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，步骤S4中设计流道尺寸包括冷却水流道的尺寸，冷却水流道截面设计为梯形，冷却水流道的尺寸参数包括：冷却水流道的长度、冷却水流道的深度、冷却水流道的上下宽度。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，步骤S5冷却水压降通过如下方式获取：
其中，ΔP为冷却水压降，f为冷却水流道的摩擦因子，l为冷却水流道的长度，ρ为水的密度，
为冷却水冷速，D为冷却流道的水力直径，
为所需冷却水的下限质量流量，k为冷却水流道数，
为冷却水流道的深度，a、b为冷却水流道的上下宽度。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种燃料电池双极板流道优化设计方法，其特征在于，该方法用于一种一板三场式超薄燃料电池双极板的流道优化设计，所述的一板三场式超薄燃料电池双极板包括一张流场板，流场板上阳极侧设置燃料气体流道和冷却液流道，间隔排布，流场板上阴极侧设置氧化气体流道。
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