高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法

本发明涉及燃料电池结构优化领域，具体涉及一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，sofc）热电联供系统是一种将燃料的化学能直接转换成电能的新一代颠覆性发电技术，可广泛的采用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气、甲醇、乙醇、汽油和柴油等多种碳氢燃料，很容易与现有能源资源供应系统兼容，是实现氢能高效利用、构筑能源安全新体系的关键途径。其具有体积小、清洁、高效等卓越的综合性能，在住宅、楼宇、社区分布式供能领域具有广阔的应用前景，包括但不限于包括小型家庭热电联供系统、分布式发电或数据中心备用电源以及工业中大型固定式发电站。

2、双极板作为sofc的关键核心部件，起到提供燃料气反应场所、串联多个电池及支撑等作用，是电池高效发电和高可靠、稳定运行的关键；同时，双极板在整个发电系统中体积占比60%，成本占比30%，成为商业化应用过程中控制生产成本的关键之一。但目前双极板结构设计与优化多采用有限元仿真模拟方法，通过分析几何结构尺寸对流道内气体均匀性、流动特性以及温度场、应力场的影响，而忽略了双极板本身的电压损耗造成燃料电池净输出功率低的问题。基于此，提出了一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，建立了双极板电压损失计算模型，分析了双极板关键几何尺寸对总电压损失的影响规律，获取总电压损失最小的双极板几何尺寸作为最优选择，从而有效降低了双极板本身电压损耗对燃料电池净输出功率的影响。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，包括步骤：

4、s1、建立双极板三维模型，包括阳极柔性连接体及阴极柔性连接体，且所述阳极柔性连接体与阴极柔性连接体之间设置有中间隔板，所述阳极、阴极柔性连接体上分别设置有阳极、阴极流道；

5、s2、确定待优化的双极板结构尺寸参数，包括阳极、阴极流道的流道宽度、流道高度、流道数量、脊宽度，阳极、阴极柔性连接体的倾斜角度及厚度，中间隔板的厚度；

6、s3、基于双极板电流集流、气体分布层、双极板-气体界面及中间隔板的电压分布关系，建立由双极板电压损失计算模型、气体分布层电压损失计算模型、双极板-界面电压损失计算模型组成的总电压损失计算模型；

7、s4、基于步骤s3所建立的总电压损失计算模型，以总电压损失最小为优化标准，确定最佳脊宽/流道宽度比、柔性连接体的最佳倾斜角度、柔性连接体的最佳厚度及中间隔板的最佳厚度；

8、s5、根据燃料电池的有效功率、实际功率及有效反应效率，计算有效反应体积，并通过有效反应体积确定流道高度与流道数量的控制方程。

9、进一步地，所述步骤s3中总电压损失计算模型为：

10、

11、其中，为双极板电压损失，为气体分布层电压损失，为双极板-气体界面电压损失。

12、进一步地，所述步骤s3中双极板电压损失计算模型为：

13、

14、其中，为双极板流道高度，为柔性连接体的厚度，为中间隔板的厚度，为脊宽度，为流道宽度，为柔性连接体的倾斜角度，为沿xy平面的双极板电阻率，为沿方向的双极板电阻率，为气体分布层的电流密度。

15、进一步地，所述步骤s3中气体分布层电压损失计算模型为：

16、

17、其中，为气体分布层的高度，为脊宽度，为流道宽度，为沿xy平面的气体分布层电阻率，为沿方向的气体分布层电阻率，为气体分布层的电流密度。

18、进一步地，所述步骤s3中双极板-界面电压损失计算模型为：

19、

20、其中，为双极板-气体界面处的总电阻，为脊宽度，为流道宽度，为气体分布层的电流密度。

21、进一步地，所述步骤s4具体为：

22、s41、根据总电压损失计算模型，绘制不同柔性连接体倾斜角度取值下的脊宽/流道宽度-总电压损失响应曲线、不同柔性连接体厚度取值下的脊宽/流道宽度-总电压损失响应曲线、不同中间隔板厚度下的脊宽/流道宽度-总电压损失响应曲线；

23、s42、以总电压损失最小为优化标准，从步骤s41所获取的脊宽/流道宽度-总电压损失响应曲线中，选择总电压损失最小的曲线所对应的柔性连接体倾斜角度、柔性连接体厚度、中间隔板厚度为最佳取值；

24、s43、基于步骤s42所获取的柔性连接体倾斜角度、柔性连接体厚度、中间隔板厚度为最佳取值，绘制该最佳取值下的脊宽/流道宽度-总电压损失响应曲线，以总电压损失最小时所对应的脊宽/流道宽度比值为最佳脊宽/流道宽度比。

25、进一步地，所述步骤s5具体为：

26、s51、根据体积理论计算公式计算有效反应体积，公式为：

27、

28、s52、根据燃料电池的有效功率、实际功率及有效反应效率计算有效反应体积，公式为：

29、

30、s53、将步骤s51、s52相结合得到：

31、

32、其中，，取1.5~2.0，为有效功率，为实际功率，为有效反应效率，为有效反应面积，为流道数量，为流道长度。

33、本发明的有益效果为：

34、本发明提供了一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，基于双极板电流集流、气体分布层、双极板-气体界面及中间隔板的电压分布关系，建立由双极板电压损失计算模型、气体分布层电压损失计算模型、双极板-界面电压损失计算模型组成的总电压损失计算模型，并以总电压损失最小为优化标准，确定最佳脊宽/流道宽度比、柔性连接体的最佳倾斜角度、柔性连接体的最佳厚度及中间隔板的最佳厚度，优化后的双极板电压损耗能降低15~25%，有效降低了双极板本身电压损耗对燃料电池净输出功率的影响，从而提高了燃料电池的净输出功率；另外，本发明的固体氧化物燃料电池采用柔性双极板，与非柔性双极板相比，本发明优化后的柔性双极板尺寸，能够使双极板整体减重40%以上。

技术特征：

1.一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3中总电压损失计算模型为：

3.根据权利要求2所述的一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3中双极板电压损失计算模型为：

4.根据权利要求2所述的一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3中气体分布层电压损失计算模型为：

5.根据权利要求2所述的一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，所述步骤s3中双极板-界面电压损失计算模型为：

6.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：

7.根据权利要求1所述的一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，其特征在于，所述步骤s5具体为：

技术总结
本发明公开一种高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法，包括步骤：S1、建立双极板几何模型；S2、确定待优化的双极板结构尺寸；S3、建立由双极板电压损失、气体分布层电压损失、双极板‑界面电压损失组成的总电压损失计算模型；S4、以总电压损失最小为优化标准，确定最佳脊宽/流道宽度比、柔性连接体的最佳倾斜角度、柔性连接体的最佳厚度及中间隔板的最佳厚度；S5、根据燃料电池的有效功率、实际功率及有效反应效率，计算有效反应体积，并通过有效反应体积确定流道高度与流道数量的控制方程。本发明建立双极板电压损失计算模型，分析了双极板关键几何尺寸对总电压损失的影响规律，将总电压损失最小的双极板几何尺寸作为最优选择。

技术研发人员：蒋文春,李少华,杨轩
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17