一种波纹流道燃料电池多物理场耦合计算简化方法

摘要

本发明公开了一种波纹流道燃料电池多物理场耦合计算简化方法，包括：建立简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型；建立该简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的上切割截面、下切割截面完全一致的网格，对全面积单池的双极板进行布尔运算，分别获取三腔流体经分配区分配后反应区中各通道的流体流量；对该简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型进行结构力学分析，获得由于双向波纹流道双极板压缩后不同位置的变形状态的新膜电极扩散层；将新膜电极扩散层与新空气流体域结合替换所建立的简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的膜电极结构和空气流体域，并获得简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的修正模型。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种波纹流道燃料电池多物理场耦合计算简化方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池作为一种利用可再生能源氢能的清洁、高效电化学能量转化装置，近年来已在全球未来的能源应用领域中占据重要的地位。质子交换膜燃料电池内部存在着多尺度、多相、多物量场、多组分传热传质等复杂过程，除利用实验手段对其内部复杂物理过程进行诊断与分析之外，借助数学手段建立合理的计算模型以深入了解电池内部复杂物理过程的各种传输机制在目前已得到了广泛应用。

根据计算模型建立的维度不同，可将质子交换膜燃料电池计算模型分为一维、二维、三维模型。一维模型常用于作简单的定性分析，可输出电池内部的一些传输过程中的简单规律。为兼顾计算效率和准确度，将一维模型在另一维度进行叠加可以得到二维模型，或者在另外两个维度同时叠加得到三维模型。其中三维模型可以建立真实单池几何结构计算域，能够求解真实的流体流动和组分传输过程，同时可将其与其他物理过程相互耦合求解，已被广泛应用于质子交换膜燃料电池的设计开发中。

由于三维模型将真实的流场结构考虑在内，并且涉及到多物理场耦合求解过程，建立实际全面积单池结构以分析流场结构设计对电池性能的影响，会大大增加模型计算量，并且计算稳定性也会相应降低。因此受计算资源的限制，在三维计算模型的建立过程中，合理的简化工作不可避免。

尤其是现有技术中申请号为(CN107145658A)公开了质子交换膜燃料电池双极板流场参数设计的数值模拟方法，该方法首先通过Dynaform对双极板的冲压成型性进行模拟分析，得到合适的冲压成型范围，再进行双极板的流场设计，最后再通过CFD对电池的输出性能进行模拟，以得到性能最好的双极板流场尺寸。该过程考虑了双极板冲压成型的影响，但是并未考虑结构力对MEA压缩情况进行分析，MEA压缩特性会直接影响双极板的流场情况，进而影响电池的性能。

另外在现有技术中一部分计算模型为低维模型，常将电池真实几何结构抽象为具体如长度、厚度、高度等物理参数，因此不能反映电池内部真实流动过程及各物理量空间分布规律。另一部分模型为三维模型，常将全面积单池简化为单直流道模型作定性计算分析，未考虑真实流场结构带来的影响，并且所建立的多物理场耦合模型未考虑结构力对MEA压缩特性及流场结构的影响。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种波纹流道燃料电池多物理场耦合计算简化方法，具体包括如下步骤：

建立简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型；

对该简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型进行结构力学分析，获得由于双向波纹流道双极板压缩后不同位置的变形状态的新膜电极扩散层；

将该新膜电极扩散层与双极板结合，并通过布尔运算获得双极板不同位置由于膜电极扩散层嵌入影响后的新空气流体域；将新膜电极扩散层与新空气流体域结合替换所建立的简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的膜电极结构和空气流体域，并获得简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的修正模型；

将该修正模型分别在阴阳极扩散层与阴阳极反应气体界面，阴阳极反应气体与阴阳极冷却液界面，阴阳极冷却液中心界面，阴阳极冷却液与阴阳极集流板界面建立相对应的非共节点交界面；在上切割截面、下切割截面分别设置相对应各层材料之间的周期性边界条件，并建立该简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的上切割截面、下切割截面完全一致的网格；

对全面积单池的双极板进行布尔运算，分别得到全面积单池空气腔、氢气腔、冷却液腔三腔流体域，并分别进行三腔流体分配计算，分别获取三腔流体经分配区分配后反应区中各通道的流体流量；

将该修正模型分别添加三腔流体进口输入边界条件、三腔压力出口边界条件、集流板上下边界电势边界条件以及散热边界条件，分别建立上切割截面与下切割截面各层材料间的周期性边界条件，并对该修正模型进行流动、传热、组分传输、电化学多物理场耦合的计算分析。

进一步的，在建立简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型时：首先将两片双极板几何模型根据实际装配位置放置，去掉分配区并保留反应区；在反应区流道中分别建立上切割截面和下切割截面，保留双极板三根空气流道的完整性，并保证上切割截面、下切割截面在全面积单池中的周期性，采用上切割截面、下切割截面分别切割阳极双极板和阴极双极板；对切割后的双极板进行布尔运算并建立相对应的空气流体域、氢气流体域和冷却液流体域，在上切割截面、下切割截面之间根据实际单池结构尺寸建立质子交换膜燃料电池的其他各层材料，

其中其他各层包括质子交换膜、阳极催化层、阴极催化层、阳极微孔层、阴极微孔层、阳极扩散层、阴极扩散层、阳极集流板和阴极集流板。

进一步的，对所述简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型进行结构力学分析时：去掉空气流体域、氢气流体域和冷却液流体域，设置空气侧和氢气侧双极板为刚体，对上切割截面、下切割截面设置周期性边界条件，以氢气侧双极板为支撑面，并通过在空气侧双极板施加一定装配力，获得由于双向波纹流道双极板压缩后不同位置的变形状况的新膜电极扩散层。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种波纹流道燃料电池多物理场耦合计算简化方法，该方法通过建立一种涉及结构力、流体、温度、性能等多物理场耦合计算的流程，通过对该简化模型进行计算分析即可获取真实情况下复杂全面积单池的各参数分布情况，另外申请所建立的模型可对复杂全面积单池进行各物理量分析，在计算效率与准确性之间达到了较好的平衡，可用于快速分析复杂质子交换膜燃料电池各参数的特性分析，为双极板的流场结构设计提供可靠性依据。

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为本发明中质子交换膜燃料电池双极板示意图；

图2为本发明中双向波纹流道双极板反应区部分流道俯视图；

图3为本发明中模型流动方向简化示意图；

图4为本发明中模型电池厚度方向简化示意图。

图中：1.氢气桥片区；2.冷却液桥片区；3.空气桥片区；4.三腔流体分配区；5.反应区；6.空气流道；7.氢气流道；8.上切割截面；9.下切割截面；10.空气进口最小流量边界；11.空气进口平均流量边界；12.空气进口最大流量边界；13.氢气进口边界；14.质子交换膜；15.阳极催化层；16.阴极催化层；17.阳极微孔层；18.阴极微孔层；19.阳极扩散层；20.阴极扩散层；21.氢气流体域；22.空气流体域；23.阳极双极板；24.阴极双极板.25.阳极冷却液流体域；26.阴极冷却液流体域；27.阳极集流板；28.阴极集流板。

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所示为质子交换膜燃料电池双极板示意图，双极板一侧为氢气流体域，另一侧为空气流体域，中间形成区域为冷却液流体域。双极板中空气腔、氢气腔、冷却液腔三腔流体的流动情况为流体由进口经桥片区即氢气桥片区1、冷却液桥片区2和空气桥片区3，通过分配区4进行流体再分配，然后经过反应区5各流道，再通过出口分配区汇流后由出口桥片区流出单池。图2所示，为双向波纹流道双极板反应区部分流道俯视图，其中实线代表空气流道6，虚线代表氢气流道7，其中空气和氢气相对应位置，电化学反应较强烈。

在上述无法建立两侧完整单流道模型的情况下，本发明公开了关于简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型的详细建立过程，通过分析之前的计算结果和实验结果，氢气侧微小的流量变化对性能等参数影响不大，故建立过程中需保证空气流道的完整性。由于反应区各流道的流量经分配区作用后，各流道的流量不一致，因此本申请提出的模型需保证3根空气流道的完整性，分别指定3根空气流道的流量为经分配区分配后反应区各通道的最小流量、平均流量和最大流量值，以计算分析分配区对电池各参数的影响情况。

首先将两片双极板几何模型根据实际装配位置放置，去掉分配区并保留反应区，如图3所示，在反应区流道分别建立上切割截面8和下切割截面9，保留模型中3根空气流道的完整性，并且保证上、下切割截面在全面积单池中的周期性。

用上述所建上切割截面、下切割截面分别切割阳极双极板23、阴极双极板24。在所切割双极板与上、下切割截面的基础上，通过布尔运算，分别建立相对应的空气流体域22、氢气流体域21、阳极冷却液流体域25、阴极冷却液流体域26。然后在上切割截面、下切割截面之间根据实际单池结构尺寸建立质子交换膜燃料电池的其他各层材料，其他各层为：质子交换膜14、阳极催化层15、阴极催化层16、阳极微孔层17、阴极微孔层18、阳极扩散层19、阴极扩散层20、阳极集流板27,、阴极集流板28，纵截面示意图如图4所示。

所述简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型包括阴阳极冷却液流体域，阴阳极冷却液流体域为阴阳极双极板中心区域，将上述所建立的简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型进行结构力学计算，获得由于双向波纹流道双极板压缩后不同位置的变形状态的新膜电极扩散层。具体计算流程为：去掉空气流体域、氢气流体域和冷却液流体域，设置空气侧和氢气侧双极板为刚体，对上切割截面、下切割截面设置周期性边界条件，以氢气侧双极板为支撑面，并通过在空气侧双极板施加一定装配力，获得由于双向波纹流道双极板压缩后不同位置的变形状况的新膜电极扩散层。将上述膜电极结构的变形结果即新膜电极扩散层与双极板相结合，通过布尔运算可以得到双极板不同位置由于膜电极结构嵌入影响后的新空气流体域。将新膜电极扩散层与新空气流体域替换上述所建简化全面积双向波纹流道燃料电池几何模型中的膜电极结构和空气流体域，修正原模型以考虑结构力对电池各参数的影响情况，即获得修正模型。

将上述所建立的修正模型分别在阴阳极扩散层与阴阳极反应气体界面，阴阳极反应气体与阴阳极冷却液界面，阴阳极冷却液中心界面，阴阳极冷却液与阴阳极集流板界面建立相对应的非共节点交界面，可以将模型网格处理成结构网格，提高网格质量和计算精度。在上、下切割截面分别设置相对应各层材料之间的周期性边界条件，然后建立模型上、下切割截面完全一致的网格，便于上、下切割截面间数据的无差传递。

对全面积单池的双极板进行布尔运算，分别得到全面积单池空气腔、氢气腔、冷却液腔三腔流体域，然后分别进行三腔流体分配计算，分别获取三腔流体经分配区分配后反应区中各通道的流体流量。本申请所述模型为逆流反应情况，如图3所示，氢气三个进口边界条件13和冷却液三个进口边界条件分别取反应区各通道的平均流量值，空气三个进口边界条件即空气进口最小流量边界10、空气进口平均流量边界11和空气进口最大流量边界12分别取反应区各通道的最小流量值、平均流量值、最大流量值。

将上述修正模型，分别添加三腔流体进口输入边界条件，三腔压力出口边界条件，集流板上下边界电势边界条件与散热边界条件，分别建立上下切割截面各层材料间的周期性边界条件，然后加载商业软件如FLUENT中PEMFC燃料电池模块进行计算。为了增加计算的收敛性与稳定性，初始化时先给一定的含水量，计算时先开启流动方程，待流体计算稳定后再依次开启组分方程、能量方程、电性能等其他方程。

本发明一种波纹流道燃料电池多物理场耦合计算简化方法，该方法通过建立一种涉及结构力、流体、温度、性能等多物理场耦合计算的流程，该简化模型能够将单池分配区及真实流场结构的影响考虑在内，获取真实情况下复杂全面积单池的各参数分布情况，并且该模型将结构力对膜电极MEA压缩特性及流场的影响考虑到多物理场的耦合计算当中，能够与真实情况下质子交换膜燃料电池各种传输机制更加接近。

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。