本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种旋转型质子交换膜燃料电池性能优化方法。
背景技术：
：：1、质子交换膜燃料电池作为一种先进的氢能转换设备，具有效率高、零排放、启动速度块、运行噪声低等优点，受到能源领域的重点关注。在车辆电源、分布式发电以及航空航天等方向应用广泛。然而，现有的质子交换膜燃料电池主要存在膜电极表面氧气分布不均匀以及液态水排出困难等缺点，导致质子交换膜燃料电池系统的输出性能和使用寿命等方面不尽人意，也成为限制其大规模工业化生产的关键因素。2、为解决以上问题，通常采用的方法是对质子交换膜燃料电池的流场结构加以改进。然而，改善流场结构对提高反应物在燃料电池中的均匀性分布以及提高其输出性能的作用是有限的，同时复杂结构的流场具有制造成本高和工作过程中压降高等负面问题。本发明提供了一种旋转型质子交换膜燃料电池性能优化方法，通过优化燃料电池的旋转速度，达到反应物在燃料电池内部的均匀分布，进而提高其输出性能。这为质子交换膜燃料电池性能的提升提供了新的思路。3、计算流体力学是一种通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析的学科。计算流体力学分析不仅可以降低实际实验产生的高额成本，还可以更好地以定性和定量的方式了解流体流动的物理现象。因此，将计算流体力学方法运用到质子交换膜燃料电池研究中，具有成本低，效率高，能够真实反映出电池内部的传质特性的优势，为燃料电池的改进设计提供依据，缩短设计周期。当前，将数值模拟运用于质子交换膜燃料电池流场设计已有一定的基础，但是未见有基于氧气均匀性分布的旋转型质子交换膜燃料电池优化方法。技术实现思路1、本发明提供一种旋转型质子交换膜燃料电池性能优化方法，通过提高旋转角速度，来改善反应物在燃料电池内的对流扩散、提高氧气分布的均匀性，从而达到优化质子交换膜燃料电池的输出性能的目的。2、本发明所采用的具体技术方案如下：3、s1：根据质子交换膜燃料电池的几何结构，通过三维建模软件构建质子交换膜燃料电池的三维结构模型，所述模型包括燃料电池的阳极部分和阴极部分，以及设置于燃料电池阳极和阴极部分之间的质子交换膜；所述阳极部分包括阳极极板、阳极反应物流道、阳极气体扩散层和阳极催化层；所述阴极部分包括阴极催化层、阴极气体扩散层、阴极反应物流道和阴极极板；其中阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依次组合形成膜电极组件；4、通过网格划分软件，根据几何模型的结构特征进行分割和关联，将所述质子交换膜燃料电池的几何模型进行网格划分得到网格模型。最后输出msh格式的网络模型，并导入到计算流体力学软件对质子交换膜燃料电池进行模拟计算；5、s2：在s1的基础上，在计算流体力学软件中建立pemfc数值模型；同时设置所述网络模型的边界条件后进行计算；当计算收敛后，对计算结果进行后处理，选择计算结果中的反应物分布情况，以质子交换膜燃料电池阴极扩散层与催化层的交界面为对象，绘制该界面的氧气分布云图，并计算其均匀性系数；6、s3：根据s2中氧气分布云图以及均匀性系数，执行s31或s32。7、s31：若s2中氧气分布均匀性系数大于k，则该质子交换膜燃料电池模型无需优化，执行s5；8、s32：若s2中氧气分布均匀性系数小于k，则对质子交换膜燃料电池进一步优化，执行s4；9、s4：以质子交换膜燃料电池圆盘中心为旋转中心，根据情况调整旋转角速度ω；10、s41：若s2中氧气分布均匀性系数小于k，将该质子交换膜燃料电池初始旋转角速度记为ω0；11、s42：将该旋转角速度设为ω1（ω0<ω1）；在该旋转型质子交换膜燃料电池模型的情况下重复s2，判断当旋转角速度为ω1时氧气分布均匀性系数是否大于k；12、s43：若s42中氧气分布均匀性系数大于k，则执行s5；13、s44：若s42中氧气分布均匀性系数小于k，则将该旋转角速度变为ωi+1=2ωi-ωi-1，i的初始值为1；在该旋转型质子交换膜燃料电池模型的情况下重复s2，判断当旋转角速度为ωi+1时氧气分布均匀性系数是否大于k；14、s45：若s44中氧气分布均匀性系数大于k，则执行s5；15、s46：若s44中氧气分布均匀性系数小于k，则执行s44对i进行加1操作，直至均匀性系数大于k，执行s5；16、s47：若优化无效，则将该旋转角速度变为ωi+1=ωi-0.5ωi-1，i的初始值为1；在该旋转型质子交换膜燃料电池模型的情况下重复s2，判断当旋转角速度为ωi+1时氧气分布均匀性系数是否大于k；17、s48：若s47中氧气分布均匀性系数大于k，则执行s5；18、s49：若s47中氧气分布均匀性系数小于k，则执行s44；19、s5：根据数值模拟结果，比较优化前后质子交换膜燃料电池极化曲线和输出功率密度曲线。再通过净输出功率的计算，判断该优化是否有效；20、s51：若s5中优化后净功率大于或等于前一次优化后的净功率，则优化有效、优化结束；21、s52：若s5中优化后净功率小于前一次优化后的净功率，则优化无效执行s47，直至优化后净功率大于或等于前一次优化后的净功率，优化结束。22、作为优选，所述s1中，当质子交换膜燃料电池的结构相对于圆盘中心几何对称时，所述三维结构模型为完整的模型或相对于圆盘中心的1/n模型；当质子交换膜燃料电池的结构相对于圆盘中心不对称时，所述三维结构模型为完整的模型。23、作为优选，所述s1中，按照质子交换膜燃料电池的不同部件以及边界条件对几何模型进行分组建立，根据几何模型的结构特征进行分割和关联；设置几何网格的生成参数，建立质子交换膜燃料电池的网络模型，并根据几何模型的网络质量对网格参数进行调整，网络质量符合模拟条件后按计算需求将网格转为结构网格或非结构网格。24、作为优选，所述s2中，若三维结构模型为完整的质子交换膜燃料电池模型时，将所述网络模型的内壁设置无滑移壁面边界条件；若三维结构模型为相对于圆盘中心的1/n质子交换膜燃料电池模型时，将所述网络模型的内壁设置无滑移壁面边界条件，同时将质子交换膜燃料电池剖面设置对称边界条件。25、进一步的，所述s2中，所述边界条件包括质量流量进口边界条件、压力出口边界条件、速度进口边界条件和速度出口边界条件中的一种或多种。26、进一步的，所述s2中，通过监测质子交换膜燃料电池阳极和阴极极板表面平均电流密度以及阴极扩散层氧气平均质量分数等相关变量。当其在两次连续迭代之间的变化率小于0.01%时，可认为已达到收敛条件，终止迭代计算。27、进一步的，所述s2中，对质子交换膜燃料电池阴极扩散层与催化层交界面的氧气质量分数根据网格点进行数值取样，并根据以下公式进行计算，得到其氧气分布均匀性系数：28、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mo>{</mo><mtable><mtr><mtd><mi>u</mi><mi>=</mi><mn>1</mn><mi>−</mi><mfrac><mstyledisplaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mi>−</mi><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>a</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>|</mo><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub><mo>|</mo></mrow><mstyledisplaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mi>a</mi></mstyle></mrow></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>x</mi><mi>a</mi></msub><mi>=</mi><mfrac><mstyledisplaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mi>a</mi></mrow></mstyle><mstyledisplaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mi>=</mi><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>a</mi><mi>i</mi></msub></mstyle></mfrac></mtd></mtr></mtable></mstyle>29、其中，u为均匀性系数，越接近1表明分布的越均匀，a为有效表面积，cm2；xi为第i个网格点的氧气质量分数；xa为表面氧气平均质量分数。30、进一步的，所述s3和s4中，可根据实际需求取k为0.8-0.95之间任一数值，并将其作为界定优化是否结束的评判标准。31、进一步的，所述s5中，净输出功率的计算公式如下：32、33、其中，pnet为净输出功率，w；pfc为输出功率，w；pp为泵送功，w；pr为旋转电机耗功，w；ifc为工作电流密度，a·cm-2；vfc为工作电压，v；δp为流道进出口的压力差，pa；ainlet为进气口截面积，cm2；uinlet为进气口的平均速度，m·s-1；t为电机周向扭矩，n·m。34、作为优选，所述三维建模软件为solidworks、creo、inventor、ug/nx、catia、ansysworkbench desigmodeler或anasys workbench spaceclaim中的一种。35、作为优选，所述网格划分软件为icem cfd、hypermesh、tgrid、pointwise、ansa、gridpro或ansys workbench mesh中的一种。36、作为优选，所述计算流体力学软件为ansys fluent、ave-fire、starccm+或comsolmultiphysics中的一种。37、本发明相对于现有技术而言，有以下有益效果：38、(1)本发明在无需反复理论计算与实验校正的前提下实现了对质子交换膜燃料电池氧气分布均匀性的改善设计，有利于工业化质子交换膜燃料电池反应物的均匀性分布。39、(2)本发明提出了针对于提高氧气质量分布均匀性的旋转型质子交换膜燃料电池，对阴极扩散层与催化层交界面的氧气分布的均匀性进行了量化的定义；通过改变旋转角速度，来改善质子交换膜燃料电池内反应物的对流扩散，从而提高氧气分布的均匀性，优化质子交换膜燃料电池的输出性能。40、(3)本发明基于数值模拟方法，直观呈现质子交换膜燃料电池阴极扩散层与催化层交界面的氧气分布细节，进而明确燃料电池内氧气的分布规律；同时，通过改变燃料电池的旋转角速度，改善了氧气分布的均匀性，增强了燃料电池内反应物的对流扩散，避免了繁琐复杂的理论计算与实验校正，为改善氧气均匀性分布和提高质子交换膜燃料电池输出性能提供了新的思路。当前第1页12当前第1页12