一种双极板流体流动评价方法与流程

[0001]
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种双极板流体流动评价方法。


背景技术：

[0002]
双极板作为燃料电池的核心部件，具有配气、导电、导热、冷却、排水等作用，其性能直接影响燃料电池性能。双极板合理的流体流动能为燃料电池提供均匀的燃料和氧化剂，确保获得均匀的电流密度、对有效的排气、排水也有促进作用。因此怎样评判双极板流体流动非常重要。
[0003]
现有质子交换膜燃料电池双极板设计及数值模拟方法，关于流体方面的工作主要是使用流体模拟软件fluent的pemfc模块模拟燃料电池的电化学性能，输出功率密度曲线。该方法的双极板流场采用直流场，直流场不用考虑流动均匀性且压降较低，未考虑进出口区及扩散区对流动均匀性及压降的影响。故在做电化学分析之前不用做流场分析，未对双极板流体流动进行评价。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是：提供一种双极板流体流动评价方法，用于在电化学分析前对双极板流体流动进行评价，便于为电化学分析提供优化模型。
[0005]
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种双极板流体流动评价方法，包括以下步骤：
[0006]
s1：对于已建立的燃料电池双极板初版三维模型运用计算流体力学软件制作cfd模型；获取用于计算流场模型的进出口边界数据；
[0007]
s2：在燃料电池的额定稳态工况下评价双极板流体流动情况，进行包括总压压降、活性区第i条流道流量不均匀度、总压压降占比、总压极差、总压方差的五个维度的计算；
[0008]
s3：判断五个维度的参数的计算值是否满足对应的评价预设值，并按从高到低的权重将总压压降和活性区第i条流道流量不均匀度分为一级，将总压压降占比分为一级，将总压极差和总压方差分为一级，并对双极板流体流动进行评价。
[0009]
按上述方案，所述的步骤s2中，进出口边界数据包括进口流量、出口压力。
[0010]
按上述方案，所述的步骤s2中，具体步骤为：
[0011]
s21：分别计算双极板空气总压压降pa、双极板氢气总压压降ph、双极板冷却液总压压降pc；
[0012]
s22：分别计算双极板空气活性区第i条流道流量不均匀度uai、双极板氢气活性区第i条流道流量不均匀度uhi、双极板冷却液活性区第i条流道流量不均匀度uci；
[0013]
s23：分别计算活性区空气总压压降占比ra、活性区氢气总压压降占比rh、活性区冷却液总压压降占比rc；
[0014]
s24：分别计算活性区空气总压极差、活性区氢气总压极差、活性区冷却液总压极差
△
pea、
△
peh、
△
pec；
[0015]
s25：分别计算刚进入活性区截面流道的空气总压方差d(pfa)、氢气总压方差d(pfh)、冷却液总压方差d(pfc)。
[0016]
进一步的，所述的步骤s21中，具体步骤为：
[0017]
s211：根据进出口边界数据使用计算流体力学方法分别计算双极板进出口的空气进口总压pai、空气出口总压pae、氢气进口总压phi、氢气出口总压phe、冷却液进口总压pci、冷却液出口总压pce；
[0018]
s212：计算空气总压压降pa＝pai-pae，计算氢气总压压降ph＝phi-phe，计算冷却液总压压降pc＝pci-pce。
[0019]
进一步的，所述的步骤s22中，具体步骤为：
[0020]
s221：设双极板活性区有n条流道，根据进出口边界数据使用计算流体力学方法计算双极板活性区的空气流道流量qa1、qa2、
…
、qan，
[0021]
计算双极板活性区的氢气流道流量qh1、qh2、
…
、qhn，
[0022]
计算双极板活性区的冷却液流道流量qc1、qc2、
…
、qcn；
[0023]
s222：计算活性区空气流道平均流量qva＝(qa1+qa2+
…
+qan)/n，
[0024]
计算活性区氢气流道平均流量qvh＝(qh1+qh2+
…
+qhn)/n，
[0025]
计算活性区冷却液流道平均流量qvc＝(qc1+qc2+
…
+qcn)/n；
[0026]
计算第i条空气流道流量不均匀度uai＝(qai-qva)/qva*100％，
[0027]
计算第i条氢气流道流量不均匀度uhi＝(qhi-qvh)/qvh*100％，
[0028]
计算第i条冷却液流道流量不均匀度uci＝(qci-qvc)/qvc*100％。
[0029]
进一步的，所述的步骤s23中，具体步骤为：
[0030]
s231：根据进出口边界数据分别计算总流道数为n的双极板第i条流道活性区的空气总压压降
△
pvai、氢气总压压降
△
pvhi、冷却液总压压降
△
pvci，i＝1,2,
…
,n；
[0031]
s232：计算活性区空气平均总压压降
△
pva＝(
△
pva1+pva2+
……
pvan)/n，
[0032]
计算活性区氢气平均总压压降
△
pvh＝(
△
pvh1+pvh2+
……
pvhn)/n，
[0033]
计算活性区冷却液平均总压压降
△
pvc＝(
△
pvc1+pvc2+
……
pvcn)/n；
[0034]
s233：分别计算双极板进出口的空气总压压降
△
pta、氢气总压压降
△
pth、冷却液总压压降
△
ptc；
[0035]
s234：计算活性区空气总压压降占比ra＝
△
pva/
△
pta*100％，
[0036]
计算活性区氢气总压压降占比rh＝
△
pvh/
△
pth*100％，
[0037]
计算活性区冷却液总压压降占比rc＝
△
pvc/
△
ptc*100％。
[0038]
进一步的，所述的步骤s24中，具体步骤为：
[0039]
s241：在刚进入活性区垂直于流道的方向选取截面，分别计算截面上活性区第i条流道的空气总压pzai、氢气总压pzhi、冷却液总压pzci；
[0040]
s242：分别选出进入活性区截面的空气总压最大值pzai(max)、空气总压最小值pzai(min)、氢气总压最大值pzhi(max)、氢气总压最小值pzhi(min)、冷却液总压最大值pzci(max)、冷却液总压最小值pzci(min)；
[0041]
s243：计算活性区空气总压极差
△
pea＝pzai(max)-pzai(min)，
[0042]
计算活性区氢气总压极差
△
peh＝pzhi(max)-pzhi(min)，
[0043]
计算活性区冷却液总压极差
△
pec＝pzci(max)-pzci(min)。
[0044]
进一步的，所述的步骤s25中，具体步骤为：
[0045]
s251：根据步骤s241得到的数据
[0046]
计算截面上n条流道空气总压均值m(pza)＝(pza1+pza2+
…
+pzan)/n，
[0047]
计算截面上n条流道氢气总压均值m(pzh)＝(pzh1+pzh2+
…
+pzhn)/n，
[0048]
计算截面上n条流道冷却液总压均值m(pzc)＝(pzc1+pzc2+
…
+pzcn)/n；
[0049]
s252：计算活性区截面空气总压方差
[0050]
d(pfa)＝{[pza1-m(pza)]2+[pza2-m(pza)]2+
……
+[pzan-m(pza)]2}/n，
[0051]
计算活性区截面氢气总压方差
[0052]
d(pfh)＝{[pzh1-m(pzh)]2+[pzh2-m(pzh)]2+
……
+[pzhn-m(pzh)]2}/n，
[0053]
计算活性区截面冷却液总压方差
[0054]
d(pfc)＝{[pzc1-m(pzc)]2+[pzc2-m(pzc)]2+
……
+[pzcn-m(pzc)]2}/n。
[0055]
按上述方案，所述的步骤s3中，具体步骤为：
[0056]
s31：判断双极板空气总压压降、双极板氢气总压压降、双极板冷却液总压压降、双极板空气活性区第i条流道流量不均匀度、双极板氢气活性区第i条流道流量不均匀度、双极板冷却液活性区第i条流道流量不均匀度的计算值是否分别满足对应的评价预设值要求，若不满足，则双极板流体流动的评价结果为不合格，评价终止，优化三维模型后重新执行本步骤；若满足，则双极板流体流动的评价结果为合格，执行步骤s32；
[0057]
s32：判断空气总压压降占比、氢气总压压降占比、冷却液总压压降占比的计算值是否分别满足对应的评价预设值要求；
[0058]
s33：判断活性区空气总压极差、活性区氢气总压极差、活性区冷却液总压极差、活性区空气总压方差、活性区氢气总压方差、活性区冷却液总压方差的计算值是否分别满足对应的评价预设值要求。
[0059]
进一步的，所述的步骤s3中，若步骤s32的参数的计算值分别满足对应的评价预设值要求且步骤s33的参数的计算值分别满足对应的评价预设值要求，则双极板流体流动的评价结果为优；若步骤s32的参数的计算值分别满足对应的评价预设值要求且步骤s33的参数的计算值不满足对应的评价预设值要求，则双极板流体流动的评价结果为良。
[0060]
本发明的有益效果为：
[0061]
1.本发明的一种双极板流体流动评价方法，在双极板开发过程中的电化学分析前，为双极板流体流动进行评价提供三维模型优化依据，便于为电化学分析提供经过优化的模型，使优化的双极板流动均匀、压降合适，保障了双极板性能。
[0062]
2.本发明建立的双极板开发过程中的流体流动评价参数及方法、多参数评价方法使双极板的研发体系化、科学化。
[0063]
3.本发明引入无量纲参数流量不均匀度、活性区总压压降占比评价双极板，减少了双极板物理化学参数对流体流动评价的影响。
[0064]
4.本发明在双极板开发过程中的电化学分析前对双极板流体流动进行评价，当不满足要求时修改数模即可，不用制作样件测试，缩短了项目时间、节约了开发成本，保证了双极板的正常开发。
附图说明
[0065]
图1是本发明实施例的流程图。
[0066]
图2是本发明实施例的双极板空气流场示意图。
[0067]
图3是本发明实施例的空气流量不均匀度示意图。
具体实施方式
[0068]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0069]
参见图1，本发明的实施例的一种双极板流体流动评价方法，包括以下步骤：
[0070]
s1：获取进出口边界数据；采用计算流体力学方法计算本发明的评价参数及过程数据，首先必须具备双极板三维数模，在三维数模具备后，运用计算流体力学软件制作cfd(computational fluid dynamics，计算流体动力学)模型。数模具备后，必须获取用于计算流场模型的进出口边界数据。进出口边界数据具体可以包括进口流量、出口压力边界，也可采用其他合适边界，边界数据获取后即可计算本发明参数及过程数值。
[0071]
s2：根据获取到的进出口边界数据进行五个维度的计算；在对双极板流体流动进行评价时，因燃料电池全工况的双极板流体流动复杂，流量、流速、压力等参数变化多，很难进行量化评价，故选择燃料电池额定稳态工况作为评价工况点，以稳态流动评价双极板流体流动情况。
[0072]
s21：计算双极板空气、氢气、冷却液总压压降pa、ph、pc；在对双极板流体流动进行评价时，评价指标包括双极板空气、氢气、冷却液总压压降pa、ph、pc；使用计算流体力学方法，根据获取到的进出口边界数据，计算双极板进出口的空气进口总压pai、空气出口总压pae、氢气进口总压phi、氢气出口总压phe、冷却液进口总压pci、冷却液出口总压pce；则空气总压压降pa＝pai-pae、氢气总压压降ph＝phi-phe、冷却液总压压降pc＝pci-pce。pa、ph、pc具体评价值由各公司根据情况制定。
[0073]
s22：计算双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度uai、uhi、uci；在对双极板流体流动进行评价时，评价指标包括双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度uai、uhi、uci。假设活性区有n条流道，使用计算流体力学方法，根据获取到的进出口边界数据，计算双极板活性区的空气流量qa1、qa2
……
、qan；计算双极板活性区的氢气流量qh1、qh2
……
、qhn；计算双极板活性区的冷却液流量qc1、qc2
……
、qcn。计算出活性区空气流道平均流量qva＝(qa1+qa2+
……
+qan)/n；计算出活性区氢气流道平均流量qvh＝(qh1+qh2+
……
+qhn)/n；计算出活性区冷却液流道平均流量qvc＝(qc1+qc2+
……
+qcn)/n；计算出第i条空气流道流量不均匀度uai＝(qai-qva)/qva*100％；计算出第i条氢气流道流量不均匀度uhi＝(qhi-qvh)/qvh*100％；计算出第i条冷却液流道流量不均匀度uci＝(qci-qvc)/qvc*100％。
[0074]
s23：计算活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比ra、rh、rc；在对双极板流体流动进行评价时，评价指标包括活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比ra、rh、rc。首先分别根据获取到的进出口边界数据，计算出总流道数为n的双极板第i条流道活性区的空气、氢气、冷却液总压压降
△
pvai、
△
pvhi、
△
pvci，再计算出活性区空气平均总压压降
△
pva＝(
△
pva1+pva2+
……
pvan)/n；活性区氢气平均总压压降
△
pvh＝(
△
pvh1+pvh2+
……
pvhn)/n；活性区冷却液平均总压压降
△
pvc＝(
△
pvc1+pvc2+
……
pvcn)/n；分别计算出双极板进出
口空气、氢气、冷却液的总压压降
△
pta、
△
pth、
△
ptc。则活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比ra＝
△
pva/
△
pta*100％、rh＝
△
pvh/
△
pth*100％、rc＝
△
pvc/
△
ptc*100％。活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比ra、rh、rc具体值根据公司实际情况制定。
[0075]
s24：计算活性区空气、氢气、冷却液总压极差
△
pea、
△
peh、
△
pec；在对双极板流体流动进行评价时，评价指标包括活性区空气、氢气、冷却液总压极差
△
pea、
△
peh、
△
pec。在刚进入活性区垂直于流道方向选取截面，在此截面上活性区第i条流道空气、氢气、冷却液的总压分别是pzai、pzhi、pzci，分别选出进入活性区截面空气、氢气、冷却液的总压最大最小值分别是pzai(max)、pzai(min)、pzhi(max)、pzhi(min)、pzci(max)、pzci(min)，则活性区空气总压极差
△
pea＝pzai(max)-pzai(min)；活性区氢气总压极差
△
peh＝pzhi(max)-pzhi(min)；活性区冷却液总压极差
△
pec＝pzci(max)-pzci(min)；活性区空气、氢气、冷却液总压极差
△
pea、
△
peh、
△
pec根据实际情况制定具体值。
[0076]
s25：计算刚进入活性区截面流道空气、氢气、冷却液总压方差d(pfa)、d(pfh)、d(pfc)；在对双极板流体流动进行评价时，评价指标包括刚进入活性区截面流道空气、氢气、冷却液总压方差d(pfa)、d(pfh)、d(pfc)。在刚进入活性区垂直于流道方向选截面，计算出在此截面上活性区第i条流道空气、氢气、冷却液的总压分别是pzai、pzhi、pzci，计算出截面上n条流道空气总压均值m(pza)＝(pza1+pza2+
…
+pzan)/n、截面n条流道氢气总压均值m(pzh)＝(pzh1+pzh2+
…
+pzhn)/n、截面n条流道冷却液总压均值m(pzc)＝(pzc1+pzc2+
…
+pzcn)/n。然后计算出活性区截面空气总压方差d(pfa)＝{[pza1-m(pza)]2+[pza2-m(pza)]2+
…
+[pzan-m(pza)]2}/n；活性区截面氢气总压方差d(pfh)＝{[pzh1-m(pzh)]2+[pzh2-m(pzh)]2+
…
+[pzhn-m(pzh)]2}/n；活性区截面冷却液总压方差d(pfc)＝{[pzc1-m(pzc)]2+[pzc2-m(pzc)]2+
…
+[pzcn-m(pzc)]2}/n；公司根据实际情况确定刚进入活性区截面流道空气、氢气、冷却液总压方差d(pfa)、d(pfh)、d(pfc)评价具体值。
[0077]
s3：评价结果分级；本发明对于流体流动的评价从五个维度进行评价，每个维度有三个参数，根据各个维度的评价计算值是否满足对应的预设评价值，对双极板流体流动进行评价。
[0078]
s31：双极板空气、氢气、冷却液总压压降以及双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度对应的评价计算值必须达到相应的评价评价预设值；在电堆开发过程中，双极板空气、氢气、冷却液总压压降影响空气压缩机、氢气压力调节系统、水泵的匹配，太大的空气、氢气、冷却液总压压降不能匹配合适的空气压缩机、氢气压力调节系统、水泵。故双极板空气、氢气、冷却液总压压降pa、ph、pc必须达到评价值。为了保证双极板空气、氢气、冷却液流动均匀以达到双极板性能，活性区流量必须均匀，故双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度uai、uhi、uci亦必须达到评价值。
[0079]
s32：空气、氢气、冷却液总压压降占比对应的评价计算值尽量达到相应的评价预设值；在双极板开发过程中，要尽量减小进出口区以及过渡区的总压压降，使活性区总压占比尽量大，但为了能实现配气、配液功能并使气、液流动均匀，进出口区、过渡区结构不可能简单，进出口区和过渡区不可能压降太小，意味着活性区压降占比不可能太大。因此活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比ra、rh、rc尽量达到评价参数。
[0080]
s33：活性区空气、氢气、冷却液总压极差以及空气、氢气、冷却液总压方差对应的评价计算值仅供参考；当双极板空气、氢气、冷却液总压压降pa、ph、pc，双极板空气、氢气、
冷却液活性区第i条流道流量不均匀度uai、uhi、uci达到评价值，活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比ra、rh、rc尽量达到评价参数。活性区空气、氢气、冷却液总压极差
△
pea、
△
peh、
△
pec，刚进入活性区截面流道空气、氢气、冷却液总压方差d(pfa)、d(pfh)、d(pfc)仅作为参考。
[0081]
具体地，当评价参数1(双极板空气、氢气、冷却液总压压降)、评价参数2(双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度)的评价计算值中存在不符合相应的评价预设值时，得到双极板流体流动的评价结果为不合格；当评价参数1(双极板空气、氢气、冷却液总压压降)以及评价参数2(双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度)的评价计算值中符合相应的评价预设值时，得到双极板流体流动的评价结果为合格。
[0082]
在评价参数1(双极板空气、氢气、冷却液总压压降)以及评价参数2(双极板空气、氢气、冷却液活性区第i条流道流量不均匀度)的评价计算值中符合相应的评价预设值的场景下，可以根据评价参数3(活性区空气、氢气、冷却液总压压降占比)、评价参数4(活性区空气、氢气、冷却液总压极差)、评价参数5(截面流道空气、氢气、冷却液总压方差)是否符合相应的评价预设值进一步细分，比如，评价参数3、评价参数4、评价参数5的评价计算值符合相应的评价预设值时，得到双极板流体流动的评价结果为优；评价参数3符合相应的评价预设值，评价参数4、评价参数5的评价计算值中存在不符合相应的评价预设值时，得到双极板流体流动的评价结果为良。
[0083]
结合东风汽车公司某型电堆双极板空气流道模型来说明本评价方法的具体实施过程,氢气流动、冷却液流动评价方法实施过程与空气流动评价方法实施过程类似，不在此赘述。空气流道模型如附图2示。空气流道共38条，按顺序编号。本实施方式仅说明双极板空气流动评价如何实现，不给出具体评价值，具体评价值由各公司根据实际情况制定。当得出的值不满足评价值时，对数模进行优化，然后再运用计算流体力学方法计算各参数值直至优化到满足评价值。
[0084]
根据双极板3d数模，得到空气流道数模，如附图2示，然后运用计算流体力学软件制作计算流体力学模型，设置进出口边界进行计算。并计算出如下参数及过程数据。
[0085]
1.计算空气总压降。
[0086]
运用计算流体力学方法，计算空气进口总压pai＝13.62kpa、空气出口总压pae＝2.09kpa；则空气总压压降pa＝pai-pae＝13.62-2.09＝11.53kpa；空气总压压降满足东风汽车公司评价值。
[0087]
2.计算活性区空气流量不均匀度。
[0088]
使用计算流体力学方法计算双极板活性区的空气流量qa1、qa2、
…
、qa38；计算活性区空气流道平均流量qva＝(qa1+qa2+
…
+qa38)/38＝5.8*10-6
kg/s；计算第i条流道空气流量不均匀度uai＝(qai-qva)/qva*100％；空气流量不均匀度见附图3，因数值较多，具体过程不赘述。第i条流道空气流量不均匀度uai均满足东风汽车公司评价值。
[0089]
3.计算活性区空气总压压降占比。
[0090]
计算空气流场活性区流道总压压降
△
pva1、
△
pva3、
…
、
△
pva38依次是4.19kpa、4.05kpa、
…
、4.21kpa，计算活性区空气平均总压压降
△
pva＝(
△
pva1+
△
pva2+
…
+
△
pvan)/n＝(4.19+4.05+
…
+4.21)/38＝4.13kpa；计算双极板进出口空气总压压降
△
pta＝13.62-2.09＝11.53kpa，则活性区空气总压压降占比ra＝
△
pva/
△
pta*100％＝4.13/
11.53*100％＝35.82％，活性区空气总压压降占比符合东风汽车公司评价值。
[0091]
4.计算空气总压极差
△
pea。
[0092]
计算出刚进入活性区垂直于流道截面a上每条空气流道的总压pza1、pza2、
…
、pza38，找出其中最大值pzai(max)＝pza3＝10.735kpa、最小值pzai(min)＝pza37＝8.915kpa，则活性区空气总压极差为：
[0093]
△
pea＝pzai(max)-pzai(min)＝pza3-pza37＝10.735-8.915＝1.82kpa；
[0094]
此项结果作为参考。
[0095]
5、计算活性区流道空气总压方差d(pfa)。
[0096]
参见图2，进入活性区垂直于活性区流道方向选截面a，计算在截面上活性区第i条流道空气的总压pzai，计算截面上空气总压均值：
[0097]
m(pza)＝(pza1+pza2+
…
+pzan)/n＝(10.725+10.304+
…
+8.929)/38＝9.751kpa，
[0098]
然后计算刚进入活性区截面空气总压方差：
[0099]
d(pfa)＝{[pza1-m(pza)]2+[pza2-m(pza)]2+
…
+[pzan-m(pza)]2}/n＝0.2；
[0100]
此项符合东风汽车评价值。
[0101]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。