一种优化双极板流道结构的方法

技术领域

本发明涉及流道设计技术领域，特别涉及一种优化双极板流道结构的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将燃料的化学能转化为电能而无需通过燃烧的装置，对环境的污染程度低，高效环保。它能够有效地推动能源的可持续发展，避免化石燃料的限制，近年来得到了深入的研究。但由于其制造成本较高、体积比功率密度不够高和寿命不足等瓶颈问题，严重阻碍了其广泛的商业化应用。

燃料电池主要是由膜电极和双极板构成。双极板是通过金属冲压形成气体通道和冷却水通道，在电池中反应气体是通过双极板冲压形成得气体流道被均匀输运至催化层参与化学反应。因此双极板流道设计对电池性能至关重要。

随着电堆性能的更新迭代，大众对燃料电池性能、电堆功率密度也有了更高的要求。同时，功率密度的提高也会导致燃料电池内部产生更多的热量，若不能及时将热量排出，会对双极板和膜电极造成不可逆的破坏。现在的双极板会存在膜电极化学反应速率不均匀，电池内膜电极因局部高温被破坏等现象，大大降低了电池的输出性能以及电池的寿命。因此针对现有问题，提出一种优化双极板流道结构的方法。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种优化双极板流道结构的方法，旨在解决现有双极板中水流道温差较大以及空气流道和氢气流道气体分配不均匀，导致燃料电池性能较差以及寿命较短的问题。

本发明的技术方案如下：

一种优化双极板流道结构的方法，其中，包括步骤：

根据预设氢气流道、空气流道、水流道的初步结构参数，绘制双极板的初始氢气流道模型、初始空气流道模型、初始水流道模型；

模拟计算所述初始水流道模型中的水流道温度差；

若所述水流道温度差大于20℃，则通过增加点状凸起结构，增加水的流动路径，增强水流道流动性，直至增加点状凸起后的水流道模型中的水流道温度差小于等于20℃，得到增加凸点后水流道结构模型、空气流道、氢气流道；

计算增加点状凸起后的空气流道和氢气流道的流量分配均匀性；

若所述增加点状凸起后的空气流道和氢气流道流量分配均匀性均满足分配要求，则输出增加点状凸起的氢气流道模型、空气流道模型以及水流道模型。

所述优化双极板流道结构的方法，其中，还包括步骤：

若所述增加点状凸起后的空气流道和氢气流道的流量分配均匀性不满足分配要求，则通过对增加点状凸起后的空气流道和氢气流道中的点状凸起结构进行调整来优化相应的流量分配均匀性，直至优化后的空气流量分配均匀性和氢气流量分配均匀性均满足分配要求，得到优化后的氢气流道模型、空气流道模型以及水流道模型。

所述优化极板流道结构的方法，其中，计算所述双极板的初始水流道模型中的水流道温度差的步骤包括：

通过仿真，使用有限元软件求解水场流道温度场分布，其控制方程如下：

流场：

对上式进行求解，得到水流道温度分布云图和水场中温度最大值，所述温度最大值的位置在气体分配区交叉处，水流道温度差=温度最大值-水流道入口温度。

所述优化双极板流道结构的方法，其中，计算增加点状凸起后的空气流道和氢气流道的流量分配均匀性的步骤包括：

引入变异系数CV，输入边界条件质量氢气入口流量和空气入口质量流量，使用有限元软件对氢气流道和空气流道进行流场求解，控制方程如下：

计算得到每根流道的质量流量分布，通过数据分析得到氢气流道变异系数及空气流道变异系数。

所述优化双极板流道结构的方法，其中，所述点状凸起结构的横截面为矩形。

有益效果：本发明提供了一种优化双极板流道结构的方法，通过本发明方法能够设计出温差更小、气体分布更均匀的流道结构，从而提高电池的输出性能和寿命。

附图说明

图1为本发明提供的一种优化双极板流道结构的方法流程图。

图2为本发明提供的初始空气流道模型示意图。

图3为本发明提供的初始氢气流道模型示意图。

图4为本发明提供的初始水流道模型示意图。

图5为本发明提供的初始水流道模型的 水场温度分布云图。

图6为在初始水流道模型内增加点状突起结构的示意图。

图7为本发明提供的增加点状突起结构后的水流道模型的水场温度分布云图。

具体实施方式

本发明提供一种优化双极板流道结构的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明提供的一种优化双极板流道结构的方法流程图，如图所示，其包括步骤：

S10、根据预设氢气流道、空气流道、水流道的初步结构参数，绘制初始氢气流道模型、初始空气流道模型、初始水流道模型；

S20、模拟计算所述双极板的初始水流道模型的温度差；

S30、若所述水流道温度差大于20℃，则通过增加点状凸起结构增加水流动途径，增强水流道流动性，直至初始水流道模型中的水流道温度差小于等于20℃，得到增加点状凸起后的水流道、空气流道、氢气流道；

S40、计算增加点状凸起后的空气流量分配均匀性和氢气流量分配均匀性；

S50、若所述模拟增加点状凸起后的空气流量分配均匀性和氢气流量分配均匀性均满足分配要求，则输出增加点状凸起后的氢气流道模型、空气流道模型以及水流道模型；

S60、若所述模拟增加凸起后的空气流量分配均匀性和氢气流量分配均匀性不满足分配要求，则通过对增加点状凸起后的空气流道和氢气流道的点状凸起结构的调整来优化相应的流量分配均匀性，直至优化后的空气流量分配均匀性和氢气流量分配均匀性均满足分配要求，得到优化后的氢气流道模型、空气流道模型以及水流道模型。

本发明通过仿真模拟设计，通过在水流道区域设置点状凸起结构来增加水流动路径，增强水的流动性，从而可以更好的将产生的热量带出，降低水流道的温度差；并通过在空气流道区域和氢气流道区域分别形成点状凸起结构来调整相应的流量分配均匀性，从而得到、气体分布均匀的流道结构的双极板，进而提高电池的输出性能和寿命。

下面将通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明：

在三维绘图软件中输入氢气流道、空气流道、水流道的初步结构参数，绘制初始氢气流道模型、初始空气流道模型、初始水流道模型，其中图2为双极板的初始空气流道模型，图3为双极板的初始氢气流道模型，图4为初始水流道模型，所述初始水流道模型是由初始阳极板和初始阴极双极板叠在一起，形成流道空腔。在本实施例中，输入的初步结构参数通常包括流道脊宽比、周期、流道深度、流道形状，但不限于此。

在生成双极板的初始氢气流道模型、初始空气流道模型、初始水流道模型后，可以利用有限元软件计算分析初始氢气流道模型和初始空气流道模型的流量分配均匀性，为比较氢气、空气气体分配均匀性差异，引入变异系数CV（平均值/方差），根据经验计算判断设定入口边界条件氢气入口流量2e

接着可以计算所述双极板的初始水流道模型中的水流道温度差，因水流道交错流道，很难通过每根流道流量分配判断其均匀性，因此通过下式仿真计算，得到水流场温度差（整板温度最大值-入口温度）；同理，根据经验计算判断设定入口边界条件水质量流量为0.002112[kg/s]，阴阳极热功率密度分别为14364[W/m^2]和15045.95 [W/m^2]，入口温度为348[K]（75℃），通过仿真，使用有限元软件求解水场流道温度场分布，其控制方程如下：

流场：

对上式进行求解，得到水流道温度分布云图和水场中温度最大值，水流道温度差=温度最大值-水流道入口温度，计算得到水场最大值为394[K]（121℃），仿真结果如下图5所示。从图中可看出温度最高位置是在气体分配区交叉处，由于中间流道内的水不容易流出导致内部产生的热量无法散出。此时的水流道温度差=121℃-75℃=46℃>20℃，因此需要增加点状凸起结构，增加水的流动途径，增强水流道流动性，如图6所示，所述点状突起结构的横截面为矩形。

在水流道区域增设点状凸起结构后，使用有限元软件，在输入与2中相同条件下，通过对流场和温度场控制方程求解，得到水场温度分布云图（如图7所示）和水场中整板温度最大值，其中温度最大值为367[K]（94℃），其中入口温度为348K（75℃），温度范围在20℃以内，相比不增加点状凸起结构，有效降低了水场内部整板温度分布，降低了温度最大值。

通过有限元软件再次评估增加点状凸起结构的流道，是否满足流量分配均匀，若满足，则输出氢气流道模型、空气流道模型以及水流道模型。

具体来讲，由于水流场结构的修改会对氢气、空气造成影响，因此需要修改完水流场结构后，对氢气和空气流量分配再次进行验证。增加点状凸起结构后，在输入相同条件下，通过有限元软件对流场控制方程求解，得到空气和氢气每根流道流量大小，求得变异系数CV值分别为3.26%和1.74%，与初始未增加点状凸起结构时的3.8%和1.16%相比，从以往工作经验认为偏差在1%以内对流量分配相差不大，认为符合分配条件。

进一步地，若通过有限元软件再次评估增加点状凸起结构的流道，不满足流量分配均匀，通过对增加点状凸起后的空气流道和氢气流道的点状凸起结构的调整来优化相应的流量分配均匀性，直至优化后的空气流量分配均匀性和氢气流量分配均匀性均满足分配要求，得到优化后的氢气流道模型、空气流道模型以及水流道模型。

本发明提供了一种优化双极板流道结构的方法，通过仿真模拟设计，在水流道区域设置点状凸起结构来增强水流道的流动性，从而降低水流道的温度差；并通过在空气流道区域和氢气流道区域分别形成点状凸起结构来调整相应的流量分配均匀性，从而得到、气体分布均匀的流道结构的双极板，进而提高电池的输出性能和寿命。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。