質子交換膜燃料電池雙極板流場參數設計的數值模擬方法與流程
2023-10-26 06:34:37
本發明涉及質子交換膜燃料電池技術，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池雙極板流場參數設計的數值模擬方法。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,pemfc),是以氫氣為陽極燃料，空氣或氧氣為陰極燃料，全氟磺酸型固體聚合物為電解質，在純pt或pt/c系列催化劑作用下，通過電極反應將儲存在燃料中的化學能直接轉變成電能的裝置。質子交換膜燃料電池不僅具有無汙染、高效率、無噪聲等優點，還具有工作溫度低(一般為60-100℃)、功率密度高(0.6～1.0kw/l))、啟動快(數秒)等優點，具有廣闊的應用前景，成為世界各國的研究熱點之一。
一個質子交換膜燃料電池本體是由若干個單電池組成的，單電池主要由膜電極和雙極板組成。雙極板是pemfc電池的關鍵組件之一，在電池中，雙極板起分隔氧化劑和還原劑、支撐膜電極、收集和傳導電流等作用。其成本佔據整個電池成本的40～60％，重量佔據整個電池重量的約80％，因此，降低雙極板成本以及提高性能是我們急需解決的問題。
燃料電池雙極板的流場設計對燃料電池的性能有著重要的影響，一個理想的質子交換膜燃料電池流場設計可以使氣體摩爾分數均勻的分布在整個電池表面區域。這種理想的設計可以使電流密度分布更加均勻，也可以使溫度以及產生的液態水在電池內部均勻分布。這些均勻的分布可以膜電極上產生更小的機械壓力，從而使電池具有更長的使用壽命。現階段應用比較多的雙極板流場形式有蛇形流場、直流場、交指形流場、多通道蛇形流場等。進一步了解燃料電池內部的運輸和反應現象來指導電池設計，以提供更好的性能。
流場設計需要考慮許多的因素，比如流場的具體形式以及尺寸對燃料電池輸出功率的影響，並且還要考慮雙極板材料的特性。使用傳統的實驗方法去進行雙極板流場的設計工作非常的繁瑣，不僅費時費力而且難以分析流場內部情況，如物質分布，壓力溫度的分布等。而通過數值模擬技術就可以很好地解決這一問題，使用流體模擬軟體fluent可以很好的模擬分析燃料電池內部的情況，直觀的了解流場內物質傳輸，熱量傳遞，水的管理等，從而得出更好的電池性能。通過數值模擬結果來指導流場的設計以及實驗研究，進一步優化雙極板流場的設計，並通過實驗測試實際燃料電池的性能，對模擬結果進行驗證。數值模擬技術的應用大大降低了流場設計的成本，簡化了實驗研究，節約了大量時間和成本。所以說數值模擬對於燃料電池的研究具有非常重要的意義。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在於針對現有技術中的缺陷，提供一種質子交換膜燃料電池雙極板流場參數設計的數值模擬方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種質子交換膜燃料電池雙極板流場參數設計的數值模擬方法，包括以下步驟：
1)建立雙極板衝壓過程的力學模型，根據力學模型採用有限元軟體建立三維模型，對雙極板衝壓成形過程進行數值模擬，根據成形極限圖(fld)和板料減薄情況，預測和消除成形極限圖中的起皺和破裂缺陷，從而得到以最佳成形工藝和安全為目標的流場尺寸範圍；
2)對質子交換膜燃料電池的模擬參數進行全局定義，包括雙極板的材料、雙極板流場形式、雙極板尺寸、燃料電池各部分的物性參數以及邊界條件；
所述合金雙極板尺寸根據步驟1)的流場尺寸範圍選取獲得；
所述物性參數包括陽極、陰極在電化學模型中所需要的電導率、初始極化電壓和交換電流密度，燃料電池雙極板在傳熱模型中需要的密度、比熱和導電係數，燃料電池雙極板在傳質模型中需要的孔隙率、滲透率；
所述邊界條件包括氣體的進口速度、質量分數、擴散係數、氣體初始溫度和壓強；
3)根據實際的模擬對象，繪製燃料電池模型，包括：構造燃料電池幾何三維模型，劃分網格，指定邊界類型和區域類型；
4)使用流體模擬軟體fluent中的pemfc模塊進行燃料電池輸出進行性能模擬，包括：
啟動求解器，選擇三維模型模擬計算；
將由gambit或其他繪圖軟體繪製好的單電池模型以及網格導入fluent；
對燃料電池模型進行相關參數的設定；
所述相關參數包括：開路電壓，操作溫度與壓力，電池運行溫度，熱導率、電導率、接觸電阻；
指定燃料電池的電流值或電壓值，進行流場初始化，迭代計算，獲得以電池性能為優化目標的雙極板流場設計。
按上述方案，所述步驟2)中流場形式為直流場。
按上述方案，所述步驟3)中當進行網格劃分時，首先要確定網格的類型，然後依據一定的比例對單電池幾何模型進行網格的劃分，其中，流場部分網格劃分的密集度為其他網格的1至4倍。
按上述方案，所述網格的類型為結構網格。
本發明產生的有益效果是：本發明方法通過對合金雙極板衝壓成形過程進行數值模擬，獲得了fe-cr-ni合金雙極板最佳成形工藝和安全的流場尺寸範圍，為燃料電池的性能數值模擬提供了理論依據。以此為依據通過fluent進行燃料電池性能數值模擬，最終獲得了優化的fe-cr-ni合金雙極板流場設計，使得pemfc具有較好的性能。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1是本發明實施例中流場尺寸對合金板最大較薄率和最小厚度的影響圖；
圖2是是本發明實施例中合金板衝壓成形中的安全流場尺寸範圍圖；
圖3是兩流場質子交換膜燃料電池模型圖；
圖4是三流場質子交換膜燃料電池模型圖；
圖5是四流場質子交換膜燃料電池模型圖；
圖6是兩流場燃料電池輸出功率隨流道深度的變化圖；
圖7是三流場燃料電池輸出功率隨流道深度的變化圖；
圖8是四流場燃料電池輸出功率隨流道深度的變化圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本實施例是基於衝壓成型的fe-cr-ni合金雙極板流場參數設計與pemfc性能的數值模擬方法，具體如下：
1)採用dynaform有限元軟體建立三維模型，對雙極板衝壓成形過程進行數值模擬，根據成形極限圖(fld)和板料減薄情況預測和消除成形中的起皺和破裂缺陷，從而得到最佳成形工藝和安全的流場尺寸範圍。
具體如下：
(1.1)建立衝壓過程的力學模型；(1.2)在力學模型基礎上建立有限元分析模型；(1.3)根據金屬薄板變形特性選定殼體單元類型並確定有關參數；(1.4)根據金屬薄板變形特性選定彈塑性本構關係及有關參數；(1.5)根據金屬板和模具的表面特性及其潤滑狀態選定摩擦定律及參數；(1.6)對衝壓模具的剛體運動和金屬薄板的彈塑性變形進行求解。
具體的，模擬了流場尺寸對fe-cr-ni合金成形性的影響，數值模擬了流道脊寬s分別為0.75、1.0、1.2，流場寬度w取值為0.5-1.5，流場深度h取值為0.4-0.56時，合金板的衝壓成形過程。模擬結果見圖1、圖2。
由模擬結果可知合金板流場尺寸w，s，h對合金板衝壓成形中最大減薄率的影響如圖1所示，縱坐標代表溝槽深度h，最大減薄率隨著h增大而增加；對比圖1中曲線①②③④可知，s為0.75，h相同時，隨著w增加，最大減薄率降低，s為1.0和1.2時，最大減薄率變化規律相同，因此，可得出結論最大減薄率隨著w增加而降低。w為0.5，h值相同時，隨著s增加，最大減薄率降低，w為0.75，1.0和1.5時，最大減薄率的變化規律亦相同，因此，最大減薄率隨著s增加而降低。綜上所述，最大減薄率隨著h增加而增加，隨著w和s增加而降低。衝壓成形中減薄較多時板料易產生破裂，而數值模擬方法能有效的預測合金板衝壓成形的安全流場尺寸，圖2為上述流場尺寸模擬中得出的安全流場尺寸範圍。
由圖1可知，當燃料電池雙極板材料為fe-cr-ni合金，雙極板流場尺寸分別為：流場寬w＝1.5mm脊寬s＝1.5mm；流場寬w＝1mm脊寬s＝0.75mm；流場寬w＝0.75mm脊寬s＝0.5mm，流場深度h分別取0.3mm，0.4mm，0.5mm時材料在衝壓成型過程中的最大減薄率非常小，而當減薄較多時，板材可能會出現破裂變形的情況。由此可見此雙極板流場尺寸是可以通過衝壓成型加工的。
對質子交換膜燃料電池的模擬參數進行全局定義，包括雙極板的材料、雙極板流場形式、雙極板尺寸、燃料電池各部分的物性參數以及邊界條件；
所述合金雙極板尺寸根據步驟1)的流場尺寸範圍選取獲得；
所述物性參數包括陽極、陰極在電化學模型中所需要的電導率、初始極化電壓和交換電流密度，燃料電池雙極板在傳熱模型中需要的密度、比熱和導電係數，燃料電池雙極板在傳質模型中需要的孔隙率、滲透率；
所述邊界條件包括氣體的進口速度、質量分數、擴散係數、氣體初始溫度和壓強；
3)接著進行燃料電池性能數值模擬，雙極板材料選用fe-cr-ni合金，保持活化面積為50mmx4.5mm不變，以及流道數量分別為兩流場、三流場、四流場，分別模擬流場深度為0.3mm、0.4mm、0.5mm直流場單電池的性能，保持流場數量一定模擬流場深度對燃料電池性能的影響。具體包括如下步驟：
gambit模型的繪製的主要操作步驟：
(3.1)構造燃料電池幾何模型，按照尺寸分別繪製兩流場、三流場、四流場單電池模型，在gambit中繪製幾何模型主要有二維模型和三維模型兩種，其中當繪製二維模型時，先進行點的描繪再由點到線，線到面逐步完成整個幾何模型的繪製。繪製三維模型時，會經常用到布爾運算，先繪製一個個的三維單元，再將這些獨立的單元組合在一起，最終成為一個完整的三維模型。
(3.2)劃分網格，當進行網格劃分時，首先要確定的時網格的類型，主要分為結構網格和非結構網格，選擇依據主要根據需要模擬的模型來確定，在這裡所使用的主要為結構網格，依據一定的比例對單電池幾何模型進行網格的劃分，由於流場的傳質傳熱現象比較複雜，需要將其中流場部分網格劃分要更加密集，使模擬結果更加準確，本實施例中流場部分網格劃分的密集度為其他網格的2至4倍。
(3.3)指定邊界類型和區域類型，對單電池模型各部分進行指定和命名，並對各部分進行物性定義，如該區域內物質為固體或者是流體，以及對各區域的邊界進行定義，這都需要依據實際的模擬模型情況進行區別劃分。單電池模型圖見圖3、圖4、圖5。
4)fluent的主要求解步驟：
(4.1)啟動求解器，選擇2d或者3d來模擬計算，在這裡需要選用3d模型；(4.2)將由gambit或其他繪圖軟體繪製好的單電池模型以及網格導入fluent，接著對電池模型進行檢查，檢查正常後對幾何模型的幾何單位進行修改，在進行一次檢查，檢查無誤後，調出fluent中的燃料電池模塊；(4.3)對燃料電池模型進行相關參數的設定，操作溫度與壓力分別選用338k和一個標準大氣壓，開路電壓為0.95v。(4.4)相關參數設置完成後，指定燃料電池的電流值或電壓值，進行流場初始化。選擇迭代計算次數，這裡一般選擇迭代計算300次，進行模擬計算時，隨時觀察迭代曲線圖，看計算結果是否收斂，如發散，找出原因進行解決。計算完畢，對模擬計算結果進行保存，繪製電池性能曲線。燃料電池性能隨著流場深度變化的曲線圖見圖6、圖7、圖8。
由圖6、圖7、圖8可以看出當保持燃料電池活性面積以及流場形式一定時，單電池的輸出功率密度與流場數量無很大關係；當流場深度特別淺時，單電池輸出功率密度比較小，流場深度達到一定深度後，繼續增加流場深度，電池輸出功率密度沒有顯著的升高，甚至有些許的下降。最終得出當流場數量為3個時，流場形式為直流場，流場尺寸為：流場寬w＝1mm，脊寬s＝0.75mm，流場深0.4mm或0.5mm時，燃料電池具有較好的輸出性能。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。