一种基于PEMFC阴极流道传质性能的评价方法与流程

本发明属于燃料电池的传质性能评价领域，具体涉及一种基于pemfc阴极流道传质性能的评价方法。

背景技术：

pemfc(质子交换膜燃料电池)由于具有低温冷启动性好，无污染，能量转换效率高，可靠性好等诸多优点而长期受到关注，被公认为是未来汽车能源的首选方式，质子交换膜燃料电池是一个复杂多相的系统，涉及到传热学，电化学，流体力学，材料学等学科知识，其电池的传质性能可反映出电池的整体性能，传质越强，电化学反应越强，电池电势越高，输出功率越大，然而，质子交换膜燃料电池其设计和评价电池性能也有诸多种类，从最初的单因素分析如燃料电池的运行参数(工作温度，进气量，过量系数等)，结构参数(流道长度，宽度，岸宽等)，逐步转化为对数学模型的分析(由一维模型逐步转化为三维模型)，但对于燃料电池传质性能的评价大多通过流道中氧气摩尔浓度值或者通过电池的伏安特性曲线来反映，仅通过分析氧气浓度值来评价电池的传质性能，难以全面综合评价出各因素对电池性能的影响，此举属于以偏概全，又如通过电池的电压值高低来判定其电池模型的传质性能，此举相对更复杂，必须建立电池的三维模型并计算出相应的计算结果才能得知电池的伏安特性曲线，本发明拟设计一种基于pemfc阴极流道传质性能的评价方法，以较为全面的评价电池的传质性能，计算简单方便，结果可靠，通过分析出emtc(effectivemasstransfercoefficient)数值变化特性，从微观层次来分析出传质均匀性与传质速度这两者主要影响因素综合对电池性能的影响，可先建立二维流道模型计算得出较好emtc数值，再通过三维模型进行模拟验证，简化了建模过程，实用性强。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：

一种基于pemfc阴极流道传质性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立二维质子交换膜燃料电池阴极流道含不同堵块形状的模型；

步骤2、在相应的运行参数下对二维流道模型进行模拟分析；并得出各单影响参数的数据变化值；

步骤3、在平行流道方向与垂直流道方向上分别提取数据中的氧气摩尔浓度及速度数据变化值，并对氧气摩尔浓度数据在相对应的流动方向上进行求一次导数处理；

步骤4、将步骤3的数据结果按公式(1)进行计算分析，得出emtc数值；

其中，v是质子交换膜燃料电池模型中传质方向速度值；dc/dy是质子交换膜燃料电池模型中氧气摩尔浓度沿相应传质方向上的浓度梯度值；

步骤5、分别作出平行流道方向与垂直流道方向的emtc数据图，综合整体评价流道中传质性能。

所述步骤1中二维质子交换膜燃料电池阴极流道含不同堵块形状的模型的而建立过程为：先在建模软件中建立质子交换膜燃料电池的阴极流道整体模型，接着建立流道中不同形状的堵块，再依次划分定义阴极的扩散层，催化层，质子交换膜，整个阴极二维流道初步建立，然后对模型各个层面进行分网格划分，定义模型边界条件，建模完成后，输出.mesh文件类型，导入fluent进行分析。

所述步骤2相应的运行参数具体指操作压力、孔隙度、温度、电流密度、进气速度、氧气质量源项以及阴极水蒸气与氧气的质量分数，各单影响参数的数据变化值具体指氧气摩尔浓度、速度、压力的变化值。

所述步骤3中为了进一步分析emtc评价指标的合理性，在二维阴极流道模型的扩散层中心沿平行于流道方向上作出两点基准线，在fluent中提取出基准线上的氧气摩尔浓度与速度，同理，在扩散层中心沿垂直于流道方向上流道中部及后部也作出相应的基准线，在fluent中提取出基准线上的氧气摩尔浓度与速度。

所述步骤4中emtc计算公式提出的具体过程为：由fick第一定律(2)可知，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量与该截面处的浓度梯度成正比，即浓度梯度越大，扩散通量越大，传质性能越好，其中d为扩散系数，dc/dx为浓度梯度，"–"号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散，本评价指标emtc表示着氧气摩尔浓度梯度与传质速度乘积的绝对值，考虑到传质速度影响着燃料电池反应的快慢，传质性能主要取决于反应物的浓度及反应物传递的速度，两者主要影响因素即可用氧气摩尔浓度和速度来代替表示，这两者影响因素均正比于燃料电池的传质性能，因此类比推出其中，v是质子交换膜燃料电池模型中传质方向速度值；dc/dy是质子交换膜燃料电池模型中氧气摩尔浓度沿相应传质方向上的浓度梯度值，绝对值符号表示只考虑emtc数值的大小，此评价指标在传统评价方法分析氧气摩尔浓度的基础上，对氧气摩尔浓度求一次导来得出氧气摩尔浓度的均匀性变化，同时进一步考虑到传质速度对传质性能的影响，速度越高，意味着反应越强，传质越快，综合两者影响因素来评价流道传质性能。

所述步骤5中利用emtc值来评价pemfc阴极流道传质性能，emtc值越大代表传质性能越好，基于fick第一定律得出浓度梯度越大，扩散通量越大，传质性能越好，emtc评价指标在传统常规评价方法(分析氧气摩尔浓度)基础上，进一步提出到传质速度对传质性能也有影响，综合氧气摩尔浓度及速度两者影响因素来整体评价传质性能。

通过所述步骤5得出的emtc数值，建立质子交换膜燃料电池三维阴极流场模型进行模拟分析来验证二维流道模型的计算结果，具体过程为：建立燃料电池三维阴极流场模型，在对应的参数下对fluent中的质子交换膜燃料电池模块进行模拟分析，得出各电流密度下相对应的电压值，导出ascii文件格式，在origin中进行后处理分析，得到各模型相对应的电压-电流特性曲线，分析所得结果来评价哪种流道结构参数下的传质性能相对更优，若结果与emtc计算分析所得的结果一致，说明可通过emtc指标来指导流道结构参数优化设计，证明了emtc评价指标的合理性。

其中燃料电池三维阴极流场模型的建立过程为首先建立不同阴极流道(含不同形状的堵块)，集流板，扩散层，催化层，质子交换膜，阳极部分与阴极一一对应，阳极流道为统一直流道形状(便于统一变量，简化模型，对结果无影响)；再进行分网格，定义边界条件，需定义出阴极集流板的顶部为wall类型(几何外边界)，阴极流道质量流量进口，阴极流道压力出口，阳极流道质量流量进口，阳极流道压力出口，阳极阴极集流板的顶部为wall类型(几何外边界)，同时对各个体依次定义为集流板，阴极流道，扩散层，催化层，质子交换膜，建模过程完成，输出.mesh文件类型，导入fluent进行分析，模拟得出燃料电池三维模型的电压-电流特性曲线，分析所得结果来评价哪种模型的传质性能相对更优，若结果与emtc计算分析所得的结果一致，说明可通过emtc指标来指导流道结构参数优化设计，证明了emtc评价指标的合理性。

本发明具有如下优点：

传统pemfc阴极流道传质性能的评价方法通常只注重考虑氧气摩尔浓度，本发明提出的emtc评价指标综合考虑了氧气摩尔浓度与速度对传质性能的影响，从微观层次来评价电池传质性能，通过一个指标分析出传质均匀性与传质速度两者综合影响因素对电池性能的影响，通过一个评价指标替代多影响因素来分析模型的传质性能，简化了建模过程，计算简单方便，结果可靠，且适用于多种不同的燃料电池系统，实用性强，可用于指导流道结构参数优化设计。

附图说明

图1为质子交换膜燃料电池阴极流道二维模型图；

图2为平行流道方向扩散层中心线上不同形状堵块二维模型emtc值比较图；

图3-5分别为不同形状中间堵块位于流道前端，正中心，后端处时，流道中心处沿扩散层垂直方向的emtc值比较图；

图6-8分别为不同形状中间堵块位于流道前端，正中心，后端处时，流道出口处沿扩散层垂直方向的emtc值比较图；

图9为质子交换膜燃料电池不同形状堵块三维模型的伏安特性曲线比较图；

其中：1-阴极流道，2-扩散层，3-堵块，4-催化层，5-质子交换膜，6-气流方向。

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：

一种基于pemfc阴极流道传质性能的评价方法，包括以下步骤：

步骤1、建立二维质子交换膜燃料电池阴极流道含不同堵块形状的模型，具体建模过程为，先建立质子交换膜燃料电池的阴极流道，接着建立流道中不同形状的堵块，再依次建立阴极的扩散层，催化层，质子交换膜，整个阴极二维流道初步建立，然后对模型各个层面进行分网格操作，本实施例中对各个层按0.025的数值进行分网格，最后进行定义模型边界的操作流程，需定义出模型的速度类型进口，压力类型出口，同时对各个层面依次定义为阴极流道，扩散层，催化层，质子交换膜。建模过程完成，输出.mesh文件类型，导入fluent进行分析。可得出如图一所示的模型图。

步骤2、在相应的参数下模拟燃料电池反应的进行，相应的运行参数具体指操作压力、孔隙度、温度、电流密度、进气速度、氧气质量源项以及阴极水蒸气与氧气的质量分数，本事例中各参数数值如下表1所示。

表1各模拟参数取值表

各单影响参数的数据变化值具体指氧气摩尔浓度、速度、压力的变化值，随着模拟反应的进行，氧气摩尔浓度将逐渐减小，速度变化呈一定的波峰波谷变化，速度在流道中有堵块的地方呈现波峰(流道中有堵块的缘故，截面变小，压力增大，速度上升)，压力从进口到出口呈下降趋势，在有堵块的地方变化平缓。

步骤3、在平行流道方向与垂直流道方向上分别提取数据中的氧气摩尔浓度及速度数据变化值，并对氧气摩尔浓度数据在相对应的流动方向上进行求一次导数处理；数据的具体提取过程为：在二维阴极流道模型的扩散层中心沿平行于流道方向上作出两点基准线，在fluent中提取出基准线上的氧气摩尔浓度与速度，同理，在扩散层中心沿垂直于流道方向上流道中部及后部也作出相应的基准线，在fluent中提取出基准线上的氧气摩尔浓度与速度，导出ascii文件格式，在origin中进行后处理分析。

步骤4、将步骤3所得结果按公式(1)进行计算分析，得出emtc数值；

其中，v是质子交换膜燃料电池模型中传质方向速度值；dc/dy是质子交换膜燃料电池模型中氧气摩尔浓度沿相应传质方向上的浓度梯度值。

步骤4中emtc计算公式提出的具体过程为：传统评价流道的传质性能主要是通过分析流道中氧气摩尔浓度来评价流道模型的传质性能，氧气摩尔浓度越高，意味着燃料电池中反应物越多，反应更持久，传质性能越稳定，电池工作时间越长，性能越好，在燃料电池传质中，由fick第一定律可知，在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(称为扩散通量diffusionflux，用j表示)与该截面处的浓度梯度(concentrationgradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大，传质性能越好，其中d为扩散系数，dc/dx为浓度梯度，"–"号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散。本评价指标emtc表示着氧气摩尔浓度梯度与传质速度乘积的绝对值，在此，考虑到传质速度影响着燃料电池反应的快慢，传质性能主要取决于反应物的浓度及反应物传递的速度，两者主要影响因素即可用氧气摩尔浓度和速度来代替表示，这两者影响因素均正比于燃料电池的传质性能，因此类比推出其中，v是质子交换膜燃料电池模型中传质方向速度值；dc/dy是质子交换膜燃料电池模型中氧气摩尔浓度沿相应传质方向上的浓度梯度值，绝对值符号表示只考虑emtc数值的大小，此评价指标在传统评价方法分析氧气摩尔浓度的基础上，对氧气摩尔浓度求一次导来得出氧气摩尔浓度的均匀性变化，同时进一步考虑到传质速度对传质性能的影响，速度越高，意味着反应越强，传质越快，综合两者影响因素来评价流道传质性能。

步骤5、分别作出平行流道方向与垂直流道方向的emtc数据图，得如图2-8所示的不同堵块不同方向emtc值图，利用emtc值来评价pemfc阴极流道传质性能，emtc值越大代表传质性能越好。

由分析前面各emtc值图得出，流道中存有堵块的模型传质更强，半圆形堵块形状的流道传质较弱，由此建立三维质子交换膜燃料电池模型，模型包括堵块形状为1/4圆形、矩形、梯形的三维流道及直流道模型，模拟得出三维燃料电池的电压-电流特性曲线，如图9所示，分析所得结果来评价哪种模型的传质性能相对更优，若结果与emtc计算分析所得的结果一致，说明可通过emtc指标来指导流道结构参数优化设计，证明了emtc评价指标的合理性。

本实施例是一个简化的二维流道模型，其结构如图1所示，基本模型从上到下依次为阴极流道1(厚度为0.85mm)、扩散层2(厚度为0.15mm)、催化层4(厚度为0.01mm)、质子交换膜5(厚度为0.012mm)，通过分析平行流道方向与垂直流道方向上的emtc数值变化来判定流道中不同形状堵块对流道传质性能的影响，设定堵块布置在流道上方，堵块间距为2.5mm，堵块高度占流道高度的70％，不同形状的堵块模型如表2所示，进气速度为0.496m/s。

表2四种不同形状的堵块模型图例表

图2为平行于流道方向不同形状堵块沿扩散层中心线上的emtc数值比较图，整体趋势呈波峰波谷状变化，在有堵块处emtc值达到波峰，这是由于堵块下方传质速度更大导致，各模型emtc波峰值差别不大，直流道模型emtc值最小，半圆和1/4圆emtc最高值接近0.18，矩形和梯形emtc值更高，接近0.22，这是因为两种模型堵块占流道面积大，导致流道中压降高，在扩散层中的速度相对更大，emtc值更高，初步认定在平行于流道方向上流道中存有堵块的模型传质性能更好，但难以确定堵块形状对传质性能的影响。

图3-5为流道中心处沿扩散层垂直方向的emtc值图，三幅图依次分别为垂直于流道方向上距中间堵块前端1.25mm处、中间堵块正中心、距中间堵块后端1.25mm处的emtc值图。由图3-5可看出不同形状的堵块对传质性能有一定的影响，在流道中心处堵块的前后端，如图3、图5所示，矩形的emtc值最高，接近0.0299，其次分别为梯形，1/4圆，半圆，emtc数值分别接近0.0253，0.0171，0.0062，直流道的emtc值最小，近似为零；当参数取自垂直于流道方向上中间堵块中心处时，如图4所示，emtc值的量级高于图3、图5中emtc值的量级，尤其是堵块形状为1/4圆时，其emtc值远高于其他几种模型，最高达到0.58，说明在堵块堵块中心处，堵块形状为1/4圆时，流道传质性能最好。

图6-8为流道出口处沿扩散层垂直方向的emtc值图，三幅图依次分别为垂直于流道方向上距流道出口处堵块前端1.25mm处、中间堵块正中心、距出口处堵块后端1.25mm处的emtc值图。图6-8趋势与图3-5类似，整体而言，由于在堵块中心处的emtc量级远高于其他各处，且堵块形状为1/4圆时，其emtc值最高，表明在垂直于流道方向上的扩散层中，堵块形状为1/4圆时，流道传质更均匀，性能最好。

图9为质子交换膜燃料电池不同形状堵块三维模型的伏安特性曲线比较图，由图9可知：堵块高度为70％，形状为1/4圆时，该单电池模型的电压高于其余三种模型，直流道模型其电压值最低；从模型形状来考虑，在垂直于流道的中部，1/4圆形状的emtc量级更高，其余模型emtc数值差别不大，在垂直于流道的后部，各模型emtc数值量级差别较小；当电流密度为1.6a/cm²时，图9中各模型的电压值依次为0.60238、0.60234、0.66817、0.60167。当电流密度接近0.5a/cm²时，模型间的电压差距值开始逐渐变大，在电流密度为2a/cm²时，电压间的差距值最大，接近0.067v；堵块高度为70％，形状为1/4圆时流道传质更好，其电池性能更优，其表明三维模型模拟的结果与上诉讨论结果一致，说明可通过emtc指标来指导流道结构参数优化设计，证明了emtc评价指标的合理性。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。