一种快速预测燃料电池电堆流量分配的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种快速预测燃料电池电堆流量分配的方法。

背景技术

近年来，燃料电池作为一种清洁能源技术，具有高效率、高功率密度、冷启动快、零排放以及工作温度低等优点，在全球未来的能源利用领域将占据重要地位而被广泛关注。单个燃料电池的电压较低，一般为0.6-0.7V，为了满足实际大功率的需求，常将许多单个电池串联连接以组成燃料电池电堆。由于反应物的流速对燃料电池的性能比较敏感，需要保证燃料电池电堆各单池之间的流量均一性，故在燃料电池电堆的设计研发周期中，建立对应的电堆流量分配模型尤为重要，可节省大量人力物力，提升研发效率。

现有技术中关于电堆流量的分配计算方法中，通常采用CFD的方法，通过构建电池堆的三维模型，进而计算分析燃料电池电堆的流量和压力分布情况。但大型电堆单池数量较多，不同节数电堆计算每一次均需要划分大规模的网格并消耗大量的计算时间，导致设计周期变长。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种快速预测燃料电池电堆流量分配的方法，具体包括如下步骤：

S1:建立三维电堆流体几何模型，确定由流体流过不同分支的各部分阻力关系，并获取各部分阻力系数；

S2:搭建电堆的流量网络模型，通过分析质量流量、流动阻力和阻力降三者之间的关系，将每一分支的各部分单体结构视为一个节点，基于连续性方程和能量守恒方程建立电堆流量网络模型；

S3:根据电堆流量网络模型，建立计算堆内流动分布的解析模型，进行迭代求解，更新迭代变量进出口公用通道阻力降、各节单池阻力降、各节单池流量参数直至收敛，输出电堆流量分布的计算结果。

S1具体采用如下方式：

S11：建立质量流量Q与单节电池阻力降△P之间的关系，

△P＝aQ

建立三维单节电池几何模型，通过三组或三组以上单节电池的流体计算，拟合出截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池的阻力关系，获得上式(1)中单节电池的阻力系数a、b；

S12：建立质量流量Q与单节电池公用通道阻力降△P之间的关系，

△P＝cQ

建立三维单节电池公用通道几何模型，通过三组或三组以上单节电池公用通道的流体计算，拟合出截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池公用通道的阻力关系，获得上式(2)中单节电池公用通道的阻力系数c、d；

S13：建立质量流量Q与单节电池分流拐角阻力降△P之间的关系，

△P＝eQ

建立三维单节电池分流拐角几何模型，通过三组或三组以上单节电池的分流拐角流体计算，拟合出截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池分流拐角的阻力关系，获得上式(3)中单节电池分流拐角的阻力系数e、f；

S14：建立质量流量Q与单节电池汇流拐角阻力降△P之间的关系，

△P＝gQ

通过S13过程几何模型三组或三组以上单节电池汇流拐角流体计算，拟合出截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池汇流拐角的阻力关系，获得上式(4)中单节电池汇流拐角的阻力系数g、h。

所述电堆流量网络模型中的每一分支的各部分流体基于连续性方程和能量守恒方程满足如下条件：

流入任一节点的流体等于流出节点的流体；每一段流体均有相对应阻力降，且是流经该段的质量流量的函数；任一闭环周围的阻力降代数和必须为0；

基于上述条件获得如下关系：

电堆各节单池中的流体满足如下关系：

△P

Q

电堆进口公用通道中的流体满足如下关系：

△P

电堆出口公用通道中的流体满足如下关系：

△P

电堆任一闭环流体满足如下关系：

△P

建立堆内流动分布的解析模型用于电堆流体分配计算时：

S31:将电堆进口总流量Q

S32:计算此时各位置进出口公用通道阻力降

△P

△P

S33:计算此时电堆其他各节单池阻力降：

△P

再根据式(1)关系式，更新每节单池流量q

S33:引入误差因子ERR＝∑((q

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种快速预测燃料电池电堆流量分配的方法,该方法首先建立相对应的三维电堆流体几何模型，分别进行单池公用通道CFD计算、整板单池CFD计算、单池公用通道拐角CFD计算、确定各部分阻力关系、获取各部分阻力系数；再通过分析质量流量、流动阻力和压力差三者之间的关系，搭建电堆的流量网络模型进行迭代求解；本方法在设计前期可以预测不同节数燃料电池电堆各节单池间的流量分配和压力分布情况，对于设计和分析电堆有一定的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明燃料电池电堆流量分配方法计算流程图；

图2为本发明中电堆模型示意图；

图3为本发明中电堆流量网络模型示意图；

图4为本发明中200节电堆流量分配均一性计算结果；

图5为本发明中300节电堆流量分配均一性计算结果；

图6为本发明中370节电堆流量分配均一性计算结果。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的一种快速预测燃料电池电堆流量分配的方法，具体包括如下步骤：

建立真实电堆流体几何模型，确定各部分阻力关系，获取各部分阻力系数。U型燃料电池电堆流体的几何结构，见图2，由三部分组成：1进口公用通道，2电堆各节单池，3出口公用通道。气体和冷却液由进口公用通道的入口处流入，在沿着进口公用通道流动的过程中，逐渐向电堆各节单池进行分流，电堆各节单池内的流体在抵达出口公用通道处进行汇流，最终沿着出口公用通道流出电堆。故燃料电池电堆流体流阻主要由三部分组成：进出口公用通道沿流动方向由于摩擦力引起的沿程损失，拐角处由于分流和汇流引起的局部阻力损失，电堆各节单池由于复杂结构引起的单池阻力损失。

建立质量流量Q与单节电池阻力降△P之间的关系，

△P＝aQ

再建立图2中真实2单节电池几何模型，通过三组或三组以上单节电池流体计算，拟合出一个截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池的阻力关系，获得上式(1)中单节电池的阻力系数a、b。

建立质量流量Q与单节电池公用通道阻力降△P之间的关系，

△P＝cQ

再建立图2中真实4单节电池公用通道几何模型，通过三组或三组以上单节电池公用通道流体计算，拟合出一个截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池公用通道的阻力关系，获得上式(2)中单节电池公用通道的阻力系数c，d。

建立质量流量Q与单节电池分流拐角阻力降△P之间的关系，

△P＝eQ

再建立图2中真实5单节电池分流拐角几何模型，通过三组或三组以上单节电池分流拐角①过程流体计算，拟合出一个截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池分流拐角的阻力关系，获得上式(3)中单节电池分流拐角的阻力系数e、f。

建立质量流量Q与单节电池汇流拐角阻力降△P之间的关系，

△P＝gQ

再通过上述C过程几何模型三组或三组以上单节电池汇流拐角②过程流体计算，拟合出一个截距为0的一元二次关系式，以确定单节电池汇流拐角的阻力关系，获得上式(4)中单节电池汇流拐角的阻力系数g、h。

类比电力网络，搭建电堆的流量网络模型。

通过分析质量流量、流动阻力和阻力降三者之间的关系，建立U型电堆的流量网络模型，见图3。任一网络中的流体根据连续性方程和能量守恒方程满足以下关系：

流入任一节点的流体等于流出节点的流体；

每一段流体均有相对应阻力降，且是流经该段的质量流量的函数；

任一闭环周围的阻力降代数和必须为0。

故可得以下关系：对于电堆各节单池：

△P

Q

对于电堆进口公用通道：

△P

对于电堆出口公用通道：

△P

对于任一闭环：△P

根据电堆流量网络模型，进行电堆流体分配计算。

首先将电堆进气量Q

计算此时进出口公用通道阻力降：

△P

△P

此时电堆各节单池气量：

△P

再根据式(1)关系式，更新每节单池气量q

进行误差分析：引入误差因子ERR＝∑((q

本专利方法与CFD方法不同节数电堆的计算结果见图4～图6，验证本专利方法精度较高。

本发明公开了一种快速预测燃料电池电堆流量分配的方法，该方法在工程应用上具有通用性，对燃料电池电堆的设计能起到有效的参考作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。