金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法

本发明属于电池管理，涉及一种金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池以其工作温度低、启动时间短、功率密度高等优点，成为燃料电池领域当下研究热点。根据冷却方式的不同，可以将质子交换膜燃料电池分为水冷型和风冷型。其中，风冷质子交换膜燃料电池由于其便携、结构简单和具有良好的导电导热性能等特点在小功率应用场景，尤其是无人机、备用电源以及便携式电源等领域得到了广泛应用。但风冷质子交换膜冷却效率较低，限制最高输出功率，在输出性能、耐久性以及成本等方面可以有所提升，这意味着需要在同等成本的情况下尽可能提高pemfc(质子交换膜燃料电池)耐久性和输出性能。

2、因此，亟需一种能够准确获得不同工况下pemfc各性能的方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，获得不同工况下各性能最优时对应的参数水平组合。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，具体包括以下步骤：

4、s1：基于真实金属板燃料电池电堆几何结构，建立包含各物理场的守恒方程、水传输与相变模型的金属板燃料电池数学模型，即cfd模型；

5、s2：对建立的cfd模型进行网格划分，并开展网格独立性检验与实验验证；

6、s3：选取正交试验参数；

7、s4：确定关键参数因子及水平范围划定、空气化学计量比；

8、s5：采用直观分析法或效应曲线图等方法分析操作参数对电池输出性能和内部分布特性的影响。

9、进一步，步骤s1中，所述各物理场的守恒方程包括：

10、①质量守恒方程的作用域包括阴极和阳极的催化层、气体扩散层和流道；燃料电池中所有过程(包括流动、扩散、相变以及电化学反应等)均遵循质量守恒定律，具体守恒方程如下：

11、

12、其中，表示哈密顿算子，指的是一个物理量在各个方向上的偏导数的矢量和；ε表示孔隙率，该值是孔隙体积与总体积的比值，多孔介质(催化层、气体扩散层)的孔隙率与材料本身属性相关，而流道内默认孔隙率为1；表示速度矢量(m/s)；ρ表示密度(kg/m3)；sm表示质量源项(kg/(m3·s))，在气体扩散层和流道中质量源项为0；

13、②动量守恒方程的作用域为阴极和阳极的催化层、气体扩散层和流道；动量守恒方程如下：

14、

15、其中，p表示压力(pa)；为该方程的求解变量；μ表示动力粘度(kg/(m·s))；su表示动量源项(kg/(m3·s))；

16、③能量守恒方程的作用域包含所有计算域，即膜、催化层、气体扩散层、流道和双极板；能量守恒方程如下：

17、

18、其中，ρ表示密度(kg/m3)；t表示温度(k)，为该方程的求解变量；cp表示定压比热容(j/(kg·k))；keff表示有效导热率(w/(m·k))，上标eff表示有效值：sq表示能量源项；

19、④燃料电池内对流、扩散、相变以及电化学反应等过程会造成组分的消耗或生成，进而引起组分浓度的变化。表征单个组分质量守恒的组分守恒方程如下：

20、

21、其中，ωi表示组分i的质量分数，为该方程的求解变量，其中阳极侧考虑水蒸气和氢气，阴极侧考虑氧气、氮气和水蒸气；表示组分i的有效扩散系数，ε为孔隙率(气体流道内默认孔隙率为1)，sk,i表示组分源项；

22、⑤根据电势的存在形式可以划分为固相电势和膜相电势，整个过程涉及到的电流传输由如下所示的电荷守恒方程描述：

23、

24、

25、其中，分别表示有效的固相电导率和离聚物相离子电导率(s/m)，φs、φm分别表示固相电势和膜相电势(v)；sφ表示电流源项(a/m3)，该项仅存在于催化层电化学反应区中，在其他区域内电流源项均为0。

26、进一步，步骤s2具体包括以下步骤：

27、s21：确定边界条件，包括阴阳极外表面工作电压、工作电流、流道出入口边界条件和反应气体的入口摩尔浓度cin；

28、s22：在确定的电流密度(如0.3a/cm2)下，观察输出电压随着不同网格数量的变化情况进行网格独立性检验。

29、进一步，步骤s21中，确定的边界条件具体包括：

30、①阳极双极板外表面设置为零电压，阴极双极板外表面设置为工作电流；

31、②流道出入口边界条件：将质量流量入口和压力出口边界条件组合，将流道出口压力始终保持恒定(设置为1atm)，通过压降来计算入口压力；入口则采用充分发展流动，入口速度u根据实际工况间接计算得到，该值取决于化学计量比ζ、电流密度i、催化层活性面积acl、入口摩尔浓度cin以及流动入口面积am；

32、

33、

34、其中，下角标a表示阳极，下角标c表示阴极；f表示法拉第常数、9.65×107c/kmol，表示氢气入口摩尔浓度，表示氧气入口摩尔浓度，ain,a表示阳极流动入口面积，ain,c表示阴极流动入口面积；

35、③反应气体的入口摩尔浓度cin由操作压力po、入口相对湿度rhin、水蒸气饱和蒸气压pv以及温度tw等决定；

36、

37、

38、

39、δt＝tw-273.15                         (12)

40、其中，rh表示相对湿度。

41、进一步，步骤s3中，选取正交试验参数，具体包括：选取电池输出性能和电池内部分布特性作为衡量本次试验的定性指标，所述电池输出性能有输出功率密度，所述电池内部分布特性包括膜电极温度分布标准差、膜中水含量、膜中水分布标准差、阴极相对湿度值和液态水体积分数；

42、取标准差作为分布均匀程度指标，具体的计算公式如下：

43、均值：

44、标准差：

45、其中，xi表示第i种物质的摩尔分数，s表示液态水体积分数。

46、本发明的有益效果在于：本发明方法利用正交设计法开展多因素多水平的性能试验，包括确定电池不同性能对应的试验指标、基于试验因素水平选取正交表以及利用直观分析法对试验结果进行数据处理。最终通过绘制效应曲线图观察各性能指标均值随运行参数不同水平的变化趋势，进而获得不同工况下各性能最优时对应的操作参数组合。

47、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，其特征在于，步骤s1中，所述各物理场的守恒方程包括：

3.根据权利要求1所述的金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，其特征在于，步骤s21中，确定的边界条件具体包括：

5.根据权利要求1所述的金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，其特征在于，步骤s3中，选取正交试验参数，具体包括：选取电池输出性能和电池内部分布特性作为衡量试验的定性指标，所述电池输出性能有输出功率密度，所述电池内部分布特性包括膜电极温度分布标准差、膜中水含量、膜中水分布标准差、阴极相对湿度值和液态水体积分数；

技术总结
本发明涉及一种金属板燃料电池多物理场建模及正交试验分析方法，属于电池管理技术领域。该方法包括：S1：基于真实金属板燃料电池电堆几何结构，建立包含各物理场的守恒方程、水传输与相变模型的金属板燃料电池数学模型，即CFD模型；S2：对建立的CFD模型进行网格划分，并开展网格独立性检验与实验验证；S3：选取正交试验参数；S4：确定关键参数因子及水平范围划定、空气化学计量比；S5：采用直观分析法或效应曲线图分析操作参数对电池输出性能和内部分布特性的影响。本发明能获得不同工况下各性能最优时对应的操作参数组合。

技术研发人员：张财志,郭欣宇,曹秀娟,牛童,曾韬,蔡浪
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24