一种燃料电池电堆的控制方法及燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆的控制方法及燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池将燃料（如氢气）和氧化剂（如空气中的氧气）中的化学能直接转化成电能，其发电模块是燃料电池电堆（简称燃料电池堆或电堆）。电堆中包含几十到几百片单电池，这些单电池以串联的方式相互接触并形成电连接，从电堆的一端到另一端，电流从一个单电池流入下一个单电池，以此类推，流经每一个单电池的电流大小是完全一样的。虽然原则上每个单电池都是一样的，但由于它们在电堆中位置的差异和制造上的偏差，每个单电池的电压难以保持完全一致，有时个别单电池的电压与电堆中所有单电池的平均电压相差很多，且性能差的单电池衰减得也更快，容易触发单电池电压低极限报警，导致整个燃料电池系统停机，所以，保证一个电堆中单电池电压的均一非常重要。

水对质子交换膜燃料电池的性能和寿命影响最大。由于质子交换膜燃料电池的运行温度低于100℃，会有一部分液态水存在，堵塞多孔电极的一些气体通道，也即水淹，使反应气向催化剂表面扩散的传质阻力增加，导致电极的传质过电位增加，单电池的电压下降。虽然近年来单电池和电堆的制造水平和工艺有了大幅提升，电堆的运行方法和策略也在不断完善，但电压单低问题在全球范围内还没有彻底解决。

发明内容

本发明正是基于上述问题，提出了一种燃料电池电堆的控制方法及燃料电池电堆，通过按需给水淹单电池或单电池的水淹部位加热的方法，解决了电堆中出现单电池电压单低的问题。

有鉴于此，本发明的一方面提出了一种燃料电池电堆的控制方法，包括：

在双极板内部安置加热线；

所述加热线与燃料电池系统中的低压电源连接；

在电堆运行过程中，当所述电堆的单电池因水淹导致其电压V1偏离电堆平均电压V2的差值达到第一预设阀值ΔV1后，所述低压电源与所述单电池的双极板内部的加热线自动接通，为所述单电池供电加热；

当V1和V2的差值降低到第二预设阀值ΔV2后，断开所述低压电源与所述加热线的连接，停止为所述单电池供电。

可选地，所述在双极板内部安置加热线的步骤，包括：

结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据；

结合所述双极板的第一结构参数和所述易液淹区域数据，确定所述加热线的布置位置；

根据所述加热线在通电时的热辐射和热传导效应，建立热分析模型，以计算所述加热线在不同密度和供电模式下的温度场分布数据；

采用多目标优化算法，综合考虑温升、功率消耗、布置难易程度，确定所述加热线的最佳密度。

可选地，所述结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据的步骤，包括：

根据所述电堆的第二结构参数建立所述电堆的第二三维模型；

从所述第二三维模型识别出符合第一预设条件的关键薄层区域；

在所述关键薄层区域使用结构网格进行密集离散，确保计算精度；

根据所述关键薄层区域的材料参数，设置流体属性、边界条件；

假设水分子生成模型，编写用户子程序，描述水分子生成和运动的过程；

选择两相流模型初始化流场变量，设定求解控制方法；

迭代计算，输出解结果，进行后处理，绘制流线、压力、温度、水分子分布云图，确定易液淹区域。

可选地，所述在所述关键薄层区域使用结构网格进行密集离散，确保计算精度的步骤，包括：

在建立计算域几何模型时，将所述关键薄层区域划分为单独的局部计算域；

利用结构网格技术，在所述关键薄层区域中进行结构化的分块划分，控制体块的大小；

在体块内部自动生成结构性细分的结构化网格，进行密集网格化；

采用层间连续的索引编号，使薄层块与周围流场网格连通，以实现整体求解；

利用网格敏感性分析判断网格密度是否满足计算精度需求；

在求解器中采用层间耦合的控制方程组，启用所述关键薄层区域的化学反应机理和传质传运模型。

可选地，所述根据所述加热线在通电时的热辐射和热传导效应，建立热分析模型，以计算所述加热线在不同密度和供电模式下的温度场分布的步骤，包括：

构建含有加热线模型的三维计算域，同时建立包含所述电堆的各部件的计算模型的第一计算模型；

在所述第一计算模型中输入不同密度/间距的加热线布置方案以及输入所述电堆的各部件的各材料的热物性参数，计算所述加热线对流体、固体的热辐射热流数据和热传导热流数据；

对所述加热线设置不同的供电电流模式，形成热源项输入数据；

结合所述热源项输入数据，启用所述三维计算域中的热辐射和热传导计算程序进行热辐射和热传导模拟，选择传热控制方程，设置边界条件，得到温度三维分析结果；

根据所述热辐射热流数据、所述热传导热流数据和所述温度三维分析结果，分析不同加热线密度和供电模式下的温升曲线、温度梯度分布，并确定温度场分布。

可选地，所述采用多目标优化算法，综合考虑温升、功率消耗、布置难易程度，确定所述加热线的最佳密度的步骤，包括：

确定优化决策变量，建立多目标优化模型，包括第一目标函数：温升幅度；第二目标函数：功率消耗最小化；第三目标函数：布置难易程度；设置约束条件；

采用多目标遗传算法，随机产生初始种群；

通过CFD与热耦合仿真计算每个解的目标函数值；

进行非支配排序，计算拥挤距离，产生子代种群；

重复迭代计算，直至取得帕累托最优解集；

从帕累托最优解集中选取最佳方案，确定所述加热线的直径间距。

可选地，所述结合所述双极板的第一结构参数和所述易液淹区域数据，确定所述加热线的布置位置的步骤，包括：

根据所述第一结构参数构建所述双极板的第一三维模型；

结合所述易液淹区域数据，在所述第一三维模型内部选取可以安装所述加热线的潜在区域；

以所述潜在区域为优化变量，建立约束条件和目标函数；

采用仿真驱动优化算法，在满足所述约束条件的前提下，通过迭代计算自动调整所述潜在区域的形状、位置，以取得最佳目标函数；

输出包含所述加热线的最优布置位置的优化结果。

本发明的另一方面提供一种燃料电池电堆，包括：双板板、安置于所述双极板内部的加热线、控制处理模块；

所述加热线与燃料电池系统中的低压电源连接；

所述控制处理模块被配置为：

在电堆运行过程中，当所述电堆的单电池因水淹导致其电压V1偏离电堆平均电压V2的差值达到第一预设阀值ΔV1后，所述低压电源与所述单电池的双极板内部的加热线自动接通，为所述单电池供电加热；

当V1和V2的差值降低到第二预设阀值ΔV2后，断开所述低压电源与所述加热线的连接，停止为所述单电池供电。

可选地，所述控制处理模块被配置为：

结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据；

结合所述双极板的第一结构参数和所述易液淹区域数据，确定所述加热线的布置位置；

根据所述加热线在通电时的热辐射和热传导效应，建立热分析模型，以计算所述加热线在不同密度和供电模式下的温度场分布数据；

采用多目标优化算法，综合考虑温升、功率消耗、布置难易程度，确定所述加热线的最佳密度。

可选地，所述结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据的步骤，所述控制处理模块被配置为：

根据所述电堆的第二结构参数建立所述电堆的第二三维模型；

从所述第二三维模型识别出符合第一预设条件的关键薄层区域；

在所述关键薄层区域使用结构网格进行密集离散，确保计算精度；

根据所述关键薄层区域的材料参数，设置流体属性、边界条件；

假设水分子生成模型，编写用户子程序，描述水分子生成和运动的过程；

选择两相流模型初始化流场变量，设定求解控制方法；

迭代计算，输出解结果，进行后处理，绘制流线、压力、温度、水分子分布云图，确定易液淹区域。

采用本发明的技术方案，燃料电池电堆的控制方法包括：在双极板内部安置加热线；所述加热线与燃料电池系统中的低压电源连接；在电堆运行过程中，当所述电堆的单电池因水淹导致其电压V1偏离电堆平均电压V2的差值达到第一预设阀值ΔV1后，所述低压电源与所述单电池的双极板内部的加热线自动接通，为所述单电池供电加热；当V1和V2的差值降低到第二预设阀值ΔV2后，断开所述低压电源与所述加热线的连接，停止为所述单电池供电。通过按需给水淹单电池或单电池的水淹部位加热的方法，解决了电堆中出现单电池电压单低的问题。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的燃料电池电堆的控制方法的流程图；

图2是本发明一个实施例提供的燃料电池电堆的示意框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的或区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量（或描述特定顺序）。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

下面参照图1至图2来描述根据本发明一些实施方式提供的一种燃料电池电堆的控制方法及燃料电池电堆。

如图1所示，本发明一个实施例提供一种燃料电池电堆的控制方法，包括：

在双极板内部安置加热线（如电阻线）；

所述加热线与燃料电池系统中的低压电源（如5V，12V，或24V）连接；

在电堆运行过程中，当所述电堆的单电池因水淹导致其电压V1偏离电堆平均电压V2的差值达到第一预设阀值ΔV1后（如20 mV），所述低压电源与所述单电池的双极板内部的加热线自动接通，为所述单电池供电加热；

当V1和V2的差值降低到第二预设阀值ΔV2后（如2 mV），断开所述低压电源与所述加热线的连接，停止为所述单电池供电。

采用该实施例的技术方案，通过在双极板内部安置加热线；所述加热线与燃料电池系统中的低压电源连接；在电堆运行过程中，当所述电堆的单电池因水淹导致其电压V1偏离电堆平均电压V2的差值达到第一预设阀值ΔV1后，所述低压电源与所述单电池的双极板内部的加热线自动接通，为所述单电池供电加热；当V1和V2的差值降低到第二预设阀值ΔV2后，断开所述低压电源与所述加热线的连接，停止为所述单电池供电。本发明方案通过按需给水淹单电池或单电池的水淹部位加热的方法，解决了电堆中出现单电池电压单低的问题。

在本发明一些可能的实施方式中，所述在双极板内部安置加热线的步骤，包括：

结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据；

结合所述双极板的第一结构参数和所述易液淹区域数据，确定所述加热线的布置位置；

根据所述加热线在通电时的热辐射和热传导效应，建立热分析模型，以计算所述加热线在不同密度和供电模式下的温度场分布数据；

采用多目标优化算法，综合考虑温升、功率消耗、布置难易程度，确定所述加热线的最佳密度。

在本实施例中，通过理论分析与实验相结合的方法，可以得到比较满意的加热线布置和密度参数，实现有效的防水淹加热控制。

在本发明一些可能的实施方式中，所述结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据的步骤，包括：

根据所述电堆的第二结构参数建立所述电堆的第二三维模型（包括流道三维模型、气体扩散层三维模型、催化层三维模型、质子交换膜三维模型、扩散层三维模型等）；

从所述第二三维模型识别出符合第一预设条件的关键薄层区域（如符合第一预设厚度、符合第一预设的关键薄层定义种类/范围等）；

在所述关键薄层区域（如催化层、质子交换膜等）使用结构网格进行密集离散，确保计算精度；

根据所述关键薄层区域的材料参数，设置流体属性、边界条件；

在本步骤中，材料参数指在不同的计算区域，如流场板、扩散层、催化层等，根据这些部件使用的材料性质，设置流体计算所需要的相关参量。主要的材料参数包括：密度、动力粘度、比热容、热导率等热物性参数；电解质膜的渗透率、电导率、水化学电渗透系数等。这些参数的数值可以从实验测试或文献数据库中获得，比如电化学工作站测试获得质子交换膜的渗透曲线。在计算流体动力学（CFD）数值模拟技术预处理中，对不同的几何区域设置材料，将查找到的材料参数映射输入，定义为算例的材料属性数据库。CFD求解器在计算时会自动调用各几何区域的材料参数，正确反映材质对流体流动、传热传质的影响。设置好材料参数，就可以使数值模拟结果更加贴近实际，提高计算的准确性。

设置流体属性可以是：确定所述关键薄层区域的流体材料(如氢气、空气等)，输入其密度、黏性系数、比热容等参数的经验公式或查表数据；设置流体的状态方程，描述压力、温度和密度之间的关系；设置质量扩散系数、体积扩散系数，描述流体组分之间的相互扩散。

设置边界条件可以是：在流场入口和出口边界分别设置速度、温度、组分分数等入口条件和出口静压；在固体壁面设置无滑移速度、常温或绝热等壁面条件；设置周期性边界条件来连接流场的对称面；为用户函数编程子例程分配源项、湍流参数等边界。综上，根据材料特性可定制化设置流体状态行为和边界条件，使数值模拟更好地反映实际工作环境。

假设水分子生成模型，编写用户子程序，描述水分子生成和运动的过程；

在本步骤中，水分子生成模型指假定产生水分子的化学反应的简化机理模型，通常包括在催化层中氢气和氧气的电化学反应生成水等。用户子程序是指CFD软件通常允许用户自定义编程，加入更复杂的物理化学过程的计算，这里需要通过Fortran、C++等语言编写计算水分子生成速率的程序代码。描述水分子在电池中的运动是指在编写的用户子程序中，不仅要计算生成的水分子量，还需要通过设置物种传输模型等方法，描述水分子在激发层和气体扩散层中的移动、扩散、液滴成长等机理。最后编译加入CFD程序中，使水分子的生成和运动机理耦合到流体流、热传输的计算中，进行联合模拟。这样，通过自定义编程增加水分子生成和运动机理，可以更好地模拟电池内部的液水淹积过程，提高计算的精度。

选择两相流模型（如VOF方法）初始化流场变量，设定求解控制方法；

在本步骤中，两相流模型指能够模拟气液两相流动的数值模型，VOF(体积分数)方法就是一种两相模型。初始化流场变量是指在开始求解之前，需要预先定义流体的速度、压力、温度等物理量的初始分布状态。求解控制方法是指设置CFD软件在求解时的数值离散格式、迭代求解策略、散度项处理等数值计算方案，这将直接影响计算的精度、速度和稳定性。在本步骤中，选择能处理气液两相的VOF模型，预先设置好流场的初始变量分布，并设定求解过程中的数值计算控制方法，作为开始两相流动模拟的准备工作，这为后面的迭代运算提供了必要的初始化环境。

迭代计算，输出解结果，进行后处理，绘制流线、压力、温度、水分子分布云图，确定易液淹区域（如死角、回流区等）。

在本步骤中，迭代计算是指设置好模型后，启动CFD程序进行迭代数值计算，解算器通过循环迭代进行流场的数值模拟，逐步逼近收敛的解。输出解结果是指迭代到预设次数后，输出模拟的流场结果数据，包括速度、压力、温度、液相体积分数等多个字段的空间分布和演化信息。后处理是指利用CFD的后处理模块，对迭代结果进行处理，提取特定平面或体积内的变量信息，进行向量/标量场的可视化处理。绘制流线、压力、温度、水分子分布云图即通过后处理模块生成流线图示、填充面图等直观表示模拟结果的图像。确定死角、回流区等易液淹区域是指分析后处理结果，找到流场的涡流区、缓流区等水分子容易聚集的区域，判定易出现液淹的部位。

在本实施例中，燃料电池在结构上主要由流场板、气体扩散层、催化层、质子交换膜等部分组成，其中催化层和质子交换膜的厚度极薄，普遍在十到几十微米量级，是决定电池发电性能的关键部位。这些极薄的催化层和质子交换膜构成了燃料电池中的“关键薄层区域”。在这些区域中，复杂的化学反应、质量转运现象发生，水分子的生成、聚集和运动对液淹有重大影响。所以在CFD模拟网格划分时，需要在这些关键薄层区域进行结构化分块、控制体单元的形状和尺寸，采用均匀密集的结构网格，确保可以准确捕捉薄层区域内微观过程，提高数值计算的精度和可靠性。总之，所述关键薄层区域特指决定燃料电池性能的催化层和质子交换膜等极薄结构。

在本实施例中，通过步骤化的计算流体动力学模拟，可以有效预测所述电堆内部的液淹情况，为后续的电阻丝优化布置提供依据。

在本发明一些可能的实施方式中，所述在所述关键薄层区域使用结构网格进行密集离散，确保计算精度的步骤，包括：

在建立计算域几何模型时，将所述关键薄层区域（如催化层和质子交换膜等薄层体积）划分为单独的局部计算域；

利用结构网格技术，在所述关键薄层区域中进行结构化的分块划分，控制体块的大小（例如催化层体块大小可控制在1~2微米）；

在体块内部自动生成结构性细分的结构化网格，进行密集网格化（计算网格数量会大大增加）；

采用层间连续的索引编号，使薄层块与周围流场网格连通，以实现整体求解；

在本步骤中，所述薄层块指的是构建计算域几何模型时，对质子交换膜、催化层等关键薄层区域（薄层结构）进行的局部计算子域。具体来说，在使用结构网格对关键薄层区域进行密集离散时，会先对薄层体积进行局部分块，构建子计算域，然后在此基础上生成结构网格。这些代表薄层实际体积的网格子块就是“薄层块”。之后在计算过程中，需要通过层间连续的索引编号，使这些薄层结构块的节点与周围流场通道部分的网格索引实现对应和衔接。这样才能将薄层域和流道域的计算模型有机连接，实现整个计算域的统一求解。简单来说，薄层块指用结构化分块和网格描述薄层几何形状的计算子域模型。

利用网格敏感性分析判断网格密度是否满足计算精度需求；

在本步骤中，网格敏感性分析是指改变网格密度，比较不同密度网格在计算结果数值上的敏感程度，从而评判网格密度是否充分。判断方法可以是：逐步增大网格数量，比较计算变量(如速度、压力等)值的变化量，当变量变化小于给定阈值时，即可判定网格相互独立的，密度足够。如果敏感性分析发现在计算域的某些关键区域(如壁面附近等)，变量变化仍较大，则仅针对这些局部区域进行专项的网格加密，而不需要重建全局网格，这样可以提高计算效率，目的是在合理成本下获得足够计算精度，通过局部调整方式可以实现比全局密集网格更高效的精度控制。

在求解器中采用层间耦合的控制方程组，启用所述关键薄层区域的化学反应机理和传质传运模型。

在本步骤中，求解器是指进行CFD数值计算的流体分析软件程序。层间耦合的控制方程组是指：在求解器中，启用了允许不同物理量在不同层间(如催化层、扩散层间)耦合的控制方程组，而不是隔离的方程。启用所述关键薄层区域的化学反应机理是指在子模型编程中，调用了描述催化层中化学反应的子程序，应用于关键薄层区域，进行耦合。传质传运模型是指描述组分之间在催化层和膜中的传质、扩散、渗透等过程的物理学模型。即，在求解器中，采用了可以跨层计算的耦合方程组，并在子层区域模型中激活了对应的化学反应和传质传输模块，进行多物理场协同模拟。

在本实施例中，计算域几何模型是指在进行计算流体动力学(CFD)数值模拟时建立的计算空间的几何结构模型。具体来说，它通常包括：1.研究对象的几何形状信息：例如在模拟燃料电池液淹问题时，需要建立双极板、流场通道、气体扩散层、催化层等实际构件的三维几何结构。2.计算域的范围定义：根据分析要求，需要确定计算区域的边界范围，比如是选择整个电池的计算域，还是单独选择某个流道作为子模型进行计算。3.单元分割方法。将计算域通过结构网格或非结构网格的方法离散成多个单元，作为流体动力学控制方程的求解单元。通过构建计算几何模型，为后续的空间离散求解奠定了几何基础，是开展CFD数值模拟的第一步。几何模型的合理性直接影响到计算的精度和结果的准确性。

在本实施例中，通过上述在关键薄层区域的网格密集化离散，可以大大提高数值计算精度，改进对微观过程的预测。

在本发明一些可能的实施方式中，所述根据所述加热线在通电时的热辐射和热传导效应，建立热分析模型，以计算所述加热线在不同密度和供电模式下的温度场分布的步骤，包括：

构建含有加热线模型的三维计算域，同时建立包含所述电堆的各部件的计算模型的第一计算模型；

在本步骤中，构建含有加热线模型的三维计算域是指：在进行加热线模型的热分析计算时，需要先构建三维的空间计算区域，其中会包含加热线模型结构的模型。加热线模型可以用线体模拟，将加热线模型简化为线段体，忽略其截面尺寸，线体上的单元可以赋予热源载荷，这种抽象化可减少网格数量。除了加热线模型线体，还需要建立其它部件（比如气体扩散层、双极板、质子交换膜、催化剂层等）的计算模型（如三维几何和网格），用以模拟传热传质过程。综上，构建一个包含加热线(用线体表示)以及其他构件的三维热分析计算用的模型区域。这为后面设置材料属性、定义热负荷条件、进行数值计算等提供了必要的空间分布和结构信息。另外，三维计算域中还配置有耦合的热辐射和热传导计算程序。

在所述第一计算模型中输入不同密度/间距的加热线布置方案以及输入所述电堆的各部件的各材料的热物性参数，计算所述加热线对流体、固体的热辐射热流数据和热传导热流数据；

对所述加热线设置不同的供电电流模式，形成热源项输入数据；

结合所述热源项输入数据，启用所述三维计算域中的热辐射和热传导计算程序进行热辐射和热传导模拟，选择传热控制方程，设置边界条件，得到温度三维分析结果；

在本步骤中，将定义好的加热线加热功率、热负荷曲线数据，应用到先前建立的加热线线体单元上，作为热源项；在该三维计算域内，激活热辐射模块和热传导模块/程序，使其耦合起来进行联合计算；确定采用三维稳态或瞬态传热方程，描述计算域内的热量传递；定义计算域边界的限制条件，如定温边界、绝热边界、对称面等；通过迭代法有限单元法等数值方法，解算传热控制方程，最终获得计算域内部的温度三维分布结果。

根据所述热辐射热流数据、所述热传导热流数据和所述温度三维分析结果，分析不同加热线密度和供电模式下的温升曲线、温度梯度分布，并确定温度场分布。

在本实施例中，通过上述热分析，可以明确加热线（如电阻丝）在双极板内的辐射传导效应，为加热线参数优化提供依据。

在本发明一些可能的实施方式中，所述采用多目标优化算法，综合考虑温升、功率消耗、布置难易程度，确定所述加热线的最佳密度的步骤，包括：

确定优化决策变量（包括加热线的直径、长度、排布距离等参数），建立多目标优化模型，包括第一目标函数：温升幅度；第二目标函数：功率消耗最小化；第三目标函数：布置难易程度(与极板厚度、流场特征及单电池结构间隙相关)，设置约束条件（包括安全温度上限、体积利用率下限、材料强度等）；

采用多目标遗传算法，随机产生初始种群；即，使用一种按照进化论原理，模拟自然选择、交叉突变的优化算法，同时优化多个目标。遗传算法会从设计变量空间中随机抽取一组解作为最初的种群个体（这里指代算法开始时随机初始化出发的这些解的集合）；初始种群个体数一般设置为种群大小的2-5倍。每个个体由一组定长的二进制位表示，对应编码设计变量。总而言之，使用多目标遗传优化算法，随机初始化产生初始种群，作为算法的出发点。

通过CFD与热耦合仿真计算每个解的目标函数值；即，使用计算流体动力学(CFD)软件，进行流体流动和传热的联合计算和数值模拟。计算多目标优化过程中遗传算法迭代产生的每一个可能解的目标函数值（目标函数值就是要优化的目标，如温升、效率等）。计算目标函数值是通过CFD与热耦合仿真实现的，每次产生一个可能解，就对应定量一个加热线方案，将这个方案的网格、边界条件加载到CFD中，进行流热耦合仿真，计算出此方案的目标函数，如温升大小。重复此过程，计算每一个解候选的目标函数值，为后续的优化选择提供依据。简言之，就是通过流热耦合的数值计算，模拟预测每个可能解对应的优化目标值，为后续优化提供支持。

进行非支配排序，计算拥挤距离，产生子代种群；即对当前种群中的所有个体，根据其目标函数值的优劣进行排序，非支配排序即把目标函数值较优的个体排在前面；在同一非支配层内，通过计算个体间的拥挤距离来区分个体的优劣，拥挤距离越大表示个体区分度越大；按照遗传算法的思路，从当前种群中选出较优个体，进行交叉互换和变异操作，生成下一代种群，作为算法的迭代对象。简而言之，就是多目标遗传算法为了产生后代新种群，需要进行非支配排序和拥挤距离评价，以区分当前种群中各个体的适应度。

重复迭代计算，直至取得帕累托最优解集；

从帕累托最优解集中选取最佳方案，确定所述加热线的直径间距。

本实施例中，通过采用多目标遗传算法，可以高效且准确地加热线的最佳密度。

在本发明一些可能的实施方式中，所述结合所述双极板的第一结构参数和所述易液淹区域数据，确定所述加热线的布置位置的步骤，包括：

根据所述第一结构参数构建所述双极板的第一三维模型（包括冷却水通道的实际尺寸和位置信息）；

结合所述易液淹区域数据，在所述第一三维模型内部选取可以安装所述加热线的潜在区域；

以所述潜在区域为优化变量（应避让流道等关键区域），建立约束条件和目标函数（主要约束条件可以包括：体积利用率下限、安装难易程度、最大热负荷等；目标函数则为获得的加热效果）；

采用仿真驱动优化算法，在满足所述约束条件的前提下，通过迭代计算自动调整所述潜在区域的形状、位置，以取得最佳目标函数；

输出包含所述加热线的最优布置位置的优化结果（包含位置、长度、导电截面积等参数）。

在本实施例中，通过上述方法，可以较好地解决电阻丝布置的空间约束和优化问题，取得更好的防水淹加热效果。

在本发明实施例中，所述加热线（电阻丝）可以均匀排布在进、出口共用腔室内侧的极板区域内，也可以非均匀排布在进、出口共用腔室内侧的极板区域内。水容易累积在反应气（氢气或空气）在极板上的出口附近的电极部位，电极在出口处容易积水而水淹，所以，从反应气在极板上的入口到反应气在极板上的出口方向上，电阻丝的密度逐渐增加，使电极上水多的部位温度升得更高一些，以便汽化电极中更多的液态水。同理，电阻丝也可以仅安置在双极板靠近反应气出口的一侧。由于电堆通过其边缘能向外辐射一定的热量，使得靠近边缘的极板部位温度略低于极板中心部位的温度，电极在边缘部位因温度较低更容易水淹，所以，加热电阻丝的密度在靠近边缘的极板部位密度可以更大一些。应当说明的是，此处只是作为理解本发明方案所作的描述，并不作为对本发明方案的限制。

请参见图2，本发明的另一实施例提供一种燃料电池电堆，包括：双板板、安置于所述双极板内部的加热线、控制处理模块；

所述加热线与燃料电池系统中的低压电源连接；

所述控制处理模块被配置为：

在电堆运行过程中，当所述电堆的单电池因水淹导致其电压V1偏离电堆平均电压V2的差值达到第一预设阀值ΔV1后，所述低压电源与所述单电池的双极板内部的加热线自动接通，为所述单电池供电加热；

当V1和V2的差值降低到第二预设阀值ΔV2后（如2 mV），断开所述低压电源与所述加热线的连接，停止为所述单电池供电。

在本发明一些可能的实施方式中，所述控制处理模块被配置为：

结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据；

结合所述双极板的第一结构参数和所述易液淹区域数据，确定所述加热线的布置位置；

根据所述加热线在通电时的热辐射和热传导效应，建立热分析模型，以计算所述加热线在不同密度和供电模式下的温度场分布数据；

采用多目标优化算法，综合考虑温升、功率消耗、布置难易程度，确定所述加热线的最佳密度。

在本实施例中，通过理论分析与实验相结合的方法，可以得到比较满意的加热线布置和密度参数，实现有效的防水淹加热控制。

应当知道的是，图2所示的燃料电池电堆的框图仅作示意，其所示出的各模块的数量并不对本发明的保护范围进行限定。

在本发明一些可能的实施方式中，所述结合计算流体动力学数值模拟技术，预测和分析所述电堆内部的流场分布数据、温度分布数据、水分子的生成和运动数据，并确定易液淹区域数据的步骤，所述控制处理模块被配置为：

根据所述电堆的第二结构参数建立所述电堆的第二三维模型（包括流道三维模型、气体扩散层三维模型、催化层三维模型、质子交换膜三维模型、扩散层三维模型等）；

从所述第二三维模型识别出符合第一预设条件的关键薄层区域（如符合第一预设厚度、符合第一预设的关键薄层定义种类/范围等）；

在所述关键薄层区域（如催化层、质子交换膜等）使用结构网格进行密集离散，确保计算精度；

根据所述关键薄层区域的材料参数，设置流体属性、边界条件；

在本步骤中，材料参数指在不同的计算区域，如流场板、扩散层、催化层等，根据这些部件使用的材料性质，设置流体计算所需要的相关参量。主要的材料参数包括：密度、动力粘度、比热容、热导率等热物性参数；电解质膜的渗透率、电导率、水化学电渗透系数等。这些参数的数值可以从实验测试或文献数据库中获得，比如电化学工作站测试获得质子交换膜的渗透曲线。在计算流体动力学（CFD）数值模拟技术预处理中，对不同的几何区域设置材料，将查找到的材料参数映射输入，定义为算例的材料属性数据库。CFD求解器在计算时会自动调用各几何区域的材料参数，正确反映材质对流体流动、传热传质的影响。设置好材料参数，就可以使数值模拟结果更加贴近实际，提高计算的准确性。

设置流体属性可以是：确定所述关键薄层区域的流体材料(如氢气、空气等)，输入其密度、黏性系数、比热容等参数的经验公式或查表数据；设置流体的状态方程，描述压力、温度和密度之间的关系；设置质量扩散系数、体积扩散系数，描述流体组分之间的相互扩散。

设置边界条件可以是：在流场入口和出口边界分别设置速度、温度、组分分数等入口条件和出口静压；在固体壁面设置无滑移速度、常温或绝热等壁面条件；设置周期性边界条件来连接流场的对称面；为用户函数编程子例程分配源项、湍流参数等边界。综上，根据材料特性可定制化设置流体状态行为和边界条件，使数值模拟更好地反映实际工作环境。

假设水分子生成模型，编写用户子程序，描述水分子生成和运动的过程；

在本步骤中，水分子生成模型指假定产生水分子的化学反应的简化机理模型，通常包括在催化层中氢气和氧气的电化学反应生成水等。用户子程序是指CFD软件通常允许用户自定义编程，加入更复杂的物理化学过程的计算，这里需要通过Fortran、C++等语言编写计算水分子生成速率的程序代码。描述水分子在电池中的运动是指在编写的用户子程序中，不仅要计算生成的水分子量，还需要通过设置物种传输模型等方法，描述水分子在激发层和气体扩散层中的移动、扩散、液滴成长等机理。最后编译加入CFD程序中，使水分子的生成和运动机理耦合到流体流、热传输的计算中，进行联合模拟。这样，通过自定义编程增加水分子生成和运动机理，可以更好地模拟电池内部的液水淹积过程，提高计算的精度。

选择两相流模型（如VOF方法）初始化流场变量，设定求解控制方法；

在本步骤中，两相流模型指能够模拟气液两相流动的数值模型，VOF(体积分数)方法就是一种两相模型。初始化流场变量是指在开始求解之前，需要预先定义流体的速度、压力、温度等物理量的初始分布状态。求解控制方法是指设置CFD软件在求解时的数值离散格式、迭代求解策略、散度项处理等数值计算方案，这将直接影响计算的精度、速度和稳定性。在本步骤中，选择能处理气液两相的VOF模型，预先设置好流场的初始变量分布，并设定求解过程中的数值计算控制方法，作为开始两相流动模拟的准备工作，这为后面的迭代运算提供了必要的初始化环境。

迭代计算，输出解结果，进行后处理，绘制流线、压力、温度、水分子分布云图，确定易液淹区域（如死角、回流区等）。

在本步骤中，迭代计算是指设置好模型后，启动CFD程序进行迭代数值计算，解算器通过循环迭代进行流场的数值模拟，逐步逼近收敛的解。输出解结果是指迭代到预设次数后，输出模拟的流场结果数据，包括速度、压力、温度、液相体积分数等多个字段的空间分布和演化信息。后处理是指利用CFD的后处理模块，对迭代结果进行处理，提取特定平面或体积内的变量信息，进行向量/标量场的可视化处理。绘制流线、压力、温度、水分子分布云图即通过后处理模块生成流线图示、填充面图等直观表示模拟结果的图像。确定死角、回流区等易液淹区域是指分析后处理结果，找到流场的涡流区、缓流区等水分子容易聚集的区域，判定易出现液淹的部位。

在本实施例中，燃料电池在结构上主要由流场板、气体扩散层、催化层、质子交换膜等部分组成，其中催化层和质子交换膜的厚度极薄，普遍在十到几十微米量级，是决定电池发电性能的关键部位。这些极薄的催化层和质子交换膜构成了燃料电池中的“关键薄层区域”。在这些区域中，复杂的化学反应、质量转运现象发生，水分子的生成、聚集和运动对液淹有重大影响。所以在CFD模拟网格划分时，需要在这些关键薄层区域进行结构化分块、控制体单元的形状和尺寸，采用均匀密集的结构网格，确保可以准确捕捉薄层区域内微观过程，提高数值计算的精度和可靠性。总之，所述关键薄层区域特指决定燃料电池性能的催化层和质子交换膜等极薄结构。

在本实施例中，通过步骤化的计算流体动力学模拟，可以有效预测所述电堆内部的液淹情况，为后续的电阻丝优化布置提供依据。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本申请各个实施例上述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可轻易想到变化或替换，均可作各种更动与修改，包含上述不同功能、实施步骤的组合，包含软件和硬件的实施方式，均在本发明的保护范围。