本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流場參數(shù)設(shè)計的數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)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(zhì)，在純pt或pt/c系列催化劑作用下，通過電極反應(yīng)將儲存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的裝置。質(zhì)子交換膜燃料電池不僅具有無污染、高效率、無噪聲等優(yōu)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(shù)秒)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景，成為世界各國的研究熱點之一。

一個質(zhì)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(guān)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(dǎo)電流等作用。其成本占據(jù)整個電池成本的40～60％，重量占據(jù)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(shè)計對燃料電池的性能有著重要的影響，一個理想的質(zhì)子交換膜燃料電池流場設(shè)計可以使氣體摩爾分?jǐn)?shù)均勻的分布在整個電池表面區(qū)域。這種理想的設(shè)計可以使電流密度分布更加均勻，也可以使溫度以及產(chǎn)生的液態(tài)水在電池內(nèi)部均勻分布。這些均勻的分布可以膜電極上產(chǎn)生更小的機(jī)械壓力，從而使電池具有更長的使用壽命。現(xiàn)階段應(yīng)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(jìn)一步了解燃料電池內(nèi)部的運輸和反應(yīng)現(xiàn)象來指導(dǎo)電池設(shè)計，以提供更好的性能。

流場設(shè)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，并且還要考慮雙極板材料的特性。使用傳統(tǒng)的實驗方法去進(jìn)行雙極板流場的設(shè)計工作非常的繁瑣，不僅費時費力而且難以分析流場內(nèi)部情況，如物質(zhì)分布，壓力溫度的分布等。而通過數(shù)值模擬技術(shù)就可以很好地解決這一問題，使用流體模擬軟件fluent可以很好的模擬分析燃料電池內(nèi)部的情況，直觀的了解流場內(nèi)物質(zhì)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(shù)值模擬結(jié)果來指導(dǎo)流場的設(shè)計以及實驗研究，進(jìn)一步優(yōu)化雙極板流場的設(shè)計，并通過實驗測試實際燃料電池的性能，對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用大大降低了流場設(shè)計的成本，簡化了實驗研究，節(jié)約了大量時間和成本。所以說數(shù)值模擬對于燃料電池的研究具有非常重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流場參數(shù)設(shè)計的數(shù)值模擬方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板流場參數(shù)設(shè)計的數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

1)建立雙極板沖壓過程的力學(xué)模型，根據(jù)力學(xué)模型采用有限元軟件建立三維模型，對雙極板沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)成形極限圖(fld)和板料減薄情況，預(yù)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(biāo)的流場尺寸范圍；

2)對質(zhì)子交換膜燃料電池的模擬參數(shù)進(jìn)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(shù)以及邊界條件；

所述合金雙極板尺寸根據(jù)步驟1)的流場尺寸范圍選取獲得；

所述物性參數(shù)包括陽極、陰極在電化學(xué)模型中所需要的電導(dǎo)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(dǎo)電系數(shù)，燃料電池雙極板在傳質(zhì)模型中需要的孔隙率、滲透率；

所述邊界條件包括氣體的進(jìn)口速度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擴(kuò)散系數(shù)、氣體初始溫度和壓強；

3)根據(jù)實際的模擬對象，繪制燃料電池模型，包括：構(gòu)造燃料電池幾何三維模型，劃分網(wǎng)格，指定邊界類型和區(qū)域類型；

4)使用流體模擬軟件fluent中的pemfc模塊進(jìn)行燃料電池輸出進(jìn)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或其他繪圖軟件繪制好的單電池模型以及網(wǎng)格導(dǎo)入fluent；

對燃料電池模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定；

所述相關(guān)參數(shù)包括：開路電壓，操作溫度與壓力，電池運行溫度，熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、接觸電阻；

指定燃料電池的電流值或電壓值，進(jìn)行流場初始化，迭代計算，獲得以電池性能為優(yōu)化目標(biāo)的雙極板流場設(shè)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(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，首先要確定網(wǎng)格的類型，然后依據(jù)一定的比例對單電池幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，其中，流場部分網(wǎng)格劃分的密集度為其他網(wǎng)格的1至4倍。

按上述方案，所述網(wǎng)格的類型為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明方法通過對合金雙極板沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)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范圍，為燃料電池的性能數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。以此為依據(jù)通過fluent進(jìn)行燃料電池性能數(shù)值模擬，最終獲得了優(yōu)化的fe-cr-ni合金雙極板流場設(shè)計，使得pemfc具有較好的性能。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)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(fā)明實施例中合金板沖壓成形中的安全流場尺寸范圍圖；

圖3是兩流場質(zhì)子交換膜燃料電池模型圖；

圖4是三流場質(zhì)子交換膜燃料電池模型圖；

圖5是四流場質(zhì)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(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本實施例是基于沖壓成型的fe-cr-ni合金雙極板流場參數(shù)設(shè)計與pemfc性能的數(shù)值模擬方法，具體如下：

1)采用dynaform有限元軟件建立三維模型，對雙極板沖壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)成形極限圖(fld)和板料減薄情況預(yù)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范圍。

具體如下：

(1.1)建立沖壓過程的力學(xué)模型；(1.2)在力學(xué)模型基礎(chǔ)上建立有限元分析模型；(1.3)根據(jù)金屬薄板變形特性選定殼體單元類型并確定有關(guān)參數(shù)；(1.4)根據(jù)金屬薄板變形特性選定彈塑性本構(gòu)關(guān)系及有關(guān)參數(shù)；(1.5)根據(jù)金屬板和模具的表面特性及其潤滑狀態(tài)選定摩擦定律及參數(shù)；(1.6)對沖壓模具的剛體運動和金屬薄板的彈塑性變形進(jìn)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(shù)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，合金板的沖壓成形過程。模擬結(jié)果見圖1、圖2。

由模擬結(jié)果可知合金板流場尺寸w，s，h對合金板沖壓成形中最大減薄率的影響如圖1所示，縱坐標(biāo)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(guī)律相同，因此，可得出結(jié)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(guī)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。沖壓成形中減薄較多時板料易產(chǎn)生破裂，而數(shù)值模擬方法能有效的預(yù)測合金板沖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范圍。

由圖1可知，當(dāng)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時材料在沖壓成型過程中的最大減薄率非常小，而當(dāng)減薄較多時，板材可能會出現(xiàn)破裂變形的情況。由此可見此雙極板流場尺寸是可以通過沖壓成型加工的。

對質(zhì)子交換膜燃料電池的模擬參數(shù)進(jìn)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(shù)以及邊界條件；

所述合金雙極板尺寸根據(jù)步驟1)的流場尺寸范圍選取獲得；

所述物性參數(shù)包括陽極、陰極在電化學(xué)模型中所需要的電導(dǎo)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(dǎo)電系數(shù)，燃料電池雙極板在傳質(zhì)模型中需要的孔隙率、滲透率；

所述邊界條件包括氣體的進(jìn)口速度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、擴(kuò)散系數(shù)、氣體初始溫度和壓強；

3)接著進(jìn)行燃料電池性能數(shù)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(shù)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(shù)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模型的繪制的主要操作步驟：

(3.1)構(gòu)造燃料電池幾何模型，按照尺寸分別繪制兩流場、三流場、四流場單電池模型，在gambit中繪制幾何模型主要有二維模型和三維模型兩種，其中當(dāng)繪制二維模型時，先進(jìn)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制。繪制三維模型時，會經(jīng)常用到布爾運算，先繪制一個個的三維單元，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(wǎng)格，當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，首先要確定的時網(wǎng)格的類型，主要分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，選擇依據(jù)主要根據(jù)需要模擬的模型來確定，在這里所使用的主要為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，依據(jù)一定的比例對單電池幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，由于流場的傳質(zhì)傳熱現(xiàn)象比較復(fù)雜，需要將其中流場部分網(wǎng)格劃分要更加密集，使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，本實施例中流場部分網(wǎng)格劃分的密集度為其他網(wǎng)格的2至4倍。

(3.3)指定邊界類型和區(qū)域類型，對單電池模型各部分進(jìn)行指定和命名，并對各部分進(jìn)行物性定義，如該區(qū)域內(nèi)物質(zhì)為固體或者是流體，以及對各區(qū)域的邊界進(jìn)行定義，這都需要依據(jù)實際的模擬模型情況進(jìn)行區(qū)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，在這里需要選用3d模型；(4.2)將由gambit或其他繪圖軟件繪制好的單電池模型以及網(wǎng)格導(dǎo)入fluent，接著對電池模型進(jìn)行檢查，檢查正常后對幾何模型的幾何單位進(jìn)行修改，在進(jìn)行一次檢查，檢查無誤后，調(diào)出fluent中的燃料電池模塊；(4.3)對燃料電池模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，操作溫度與壓力分別選用338k和一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，開路電壓為0.95v。(4.4)相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，指定燃料電池的電流值或電壓值，進(jìn)行流場初始化。選擇迭代計算次數(shù)，這里一般選擇迭代計算300次，進(jìn)行模擬計算時，隨時觀察迭代曲線圖，看計算結(jié)果是否收斂，如發(fā)散，找出原因進(jìn)行解決。計算完畢，對模擬計算結(jié)果進(jìn)行保存，繪制電池性能曲線。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(dāng)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(shù)量無很大關(guān)系；當(dāng)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(dá)到一定深度后，繼續(xù)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(dāng)流場數(shù)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(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。