一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法
专利汇可以提供一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 质子交换膜 燃料 电池 多物理场耦合模拟方法，其包括如下步骤：（1） 质子交换膜 燃料电池 等温稳态流动、传质、电化学物理化学现象耦合模拟分析，以优化电池几何结构以及上述物理场出入口边界条件；（2）步骤1模拟得到的二次 电流 分布中总功耗 密度 数据集耦合固体 传热 中的热源项计算产热 温度 场分布；（3）添加冷却介质流场，耦合步骤2中的二次电流分布和固体传热模拟结果，以优化冷却流场的工况参数达到电池的 热管 理。本发明是分步求解质子交换膜燃料电池，实现快速间接全耦合分析质子交换膜燃料电池的流场、传质、电化学、传热物理场。，下面是一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对等温工作的质子交换膜燃料电池中多物理场进行耦合稳态模拟计算；
S2、依据步骤S1得到的稳态模拟结果耦合固体传热物理场，计算等温工作的电池产热温度分布；
S3、结合冷却介质流场和步骤S2得到的产热温度分布结果，耦合反推计算等温稳态工作情况下冷却介质流场的工况参数。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
S101、建立质子交换膜燃料电池的三维仿真模型，所述模型包括阳极冷却水流道（1-
1）、阳极极板（1-2）、阳极反应物流道（1-3）、阳极扩散层（1-4）、阳极催化层（1-5）、质子交换膜（1-6）、阴极催化层（1-7）、阴极扩散层（1-8）、阴极反应物流道（1-9）、阴极极板（1-10）和阴极冷却水流道（1-11），阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阳极扩散层依次层叠，阳极扩散层上侧为截面是Z型的阳极极板，阳极极板右侧为阳极冷却水流道，阳极极板左侧为阳极反应物流道，阴极扩散层下侧为截面是反Z型的阴极极板，阴极极板左侧为阴极反应物流道，阴极极板右侧为阴极冷却水流道；
S102、添加Brinkman方程、浓物质传递、稀物质传递、二次电流分布接口，对所述物理场之间相互耦合，分别对燃料电池内的反应物流动、反应物传递、离聚物中水管理及电化学反应进行计算；
S103、对质子交换膜燃料电池上述物理场接口所需参数进行定义，包括全局工作温度、上述物理场所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件；
S104、对质子交换膜燃料电池的三维几何仿真模型，进行网格划分，对划分后的三维仿真模型进行稳态求解，得到仿真模型上述物理场的求解变量的数据集，最后，对所述燃料电池等温稳态工作结果数据集进行可视化后处理，以此方式完成等温稳态质子交换膜燃料电池的流场、传质和电化学物理化学现象的数值模拟。
3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述三维仿真模型网格划分为：先对三维仿真模型的端面边进行分割，不同域的端面边划分不同大小，膜电极边单元密度比反应物流道和冷却介质流道边单元密度大，对包含上述边的端面进行映射处理生成四边形网格，同面的其余端面划分自由三角形网格，通过设置最大单元大小来控制生成自由三角形网格的稀疏，然后在三维仿真模型长度方向上进行扫掠处理生成结构化网格；
所述稳态求解步骤具体为：首先求解二次电流分布，接着分别求解阴阳隔断的
Brinkman方程得到速度场分布，最后耦合二次电流分布、阴阳隔断Brinkman方程、阴阳隔断浓物质传递和稀物质传递求解上述物理场的求解变量。
4.根据权利要求2或3所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S201、添加固体传热物理场接口，对燃料电池等温工作的产热温度场分布进行计算；
S202、对质子交换膜燃料电池固体传热物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；
S203、耦合步骤S1的模拟结果和固体传热物理场接口，计算电池等温工作下产热的温度分布。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S301、添加层流接口物理场；
S302、对质子交换膜燃料电池层流物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；
S303、对固体传热物理场接口下添加相应的冷却介质流道域，并将层流计算的速度场耦合到固体传热下相应域内流体的速度分布，通过调整冷却介质初始温度和入口速度，多次耦合计算添加冷却介质流道的电池温度分布，使电池稳态温度场计算结果达到等温工作条件。
一种质子交换膜燃料电池多物理场耦合模拟方法
技术领域
背景技术
发明内容
S2、依据步骤S1得到的稳态模拟结果耦合固体传热物理场，计算等温工作的电池产热温度分布；
S3、结合冷却介质流场和步骤S2得到的产热温度分布结果，耦合反推计算等温稳态工作情况下冷却介质流场的工况参数。
1）、阳极极板（1-2）、阳极反应物流道（1-3）、阳极扩散层（1-4）、阳极催化层（1-5）、质子交换膜（1-6）、阴极催化层（1-7）、阴极扩散层（1-8）、阴极反应物流道（1-9）、阴极极板（1-10）和阴极冷却水流道（1-11），阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阳极扩散层依次层叠，阳极扩散层上侧为截面是Z型的阳极极板，阳极极板右侧为阳极冷却水流道，阳极极板左侧为阳极反应物流道，阴极扩散层下侧为截面是反Z型的阴极极板，阴极极板左侧为阴极反应物流道，阴极极板右侧为阴极冷却水流道；
几何模型中的对称域使用对称边界，以减少三维仿真模型有限元计算单元数量；
S102、添加Brinkman方程、浓物质传递、稀物质传递、二次电流分布接口，对所述物理场之间相互耦合，分别对燃料电池内的反应物流动、反应物传递、离聚物中水管理及电化学反应进行计算；
所述Brinkman方程物理场，其用来描述阴阳反应物流场在各有效域内的速度和压强分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合对应域的浓物质传递接口物理场的反应物浓度来计算相应域的平均密度；
所述浓物质传递物理场，其用来描述阴阳极反应物在各有效域内的浓度分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合对应域的Brinkman方程接口物理场的速度或压强来计算相应域的对流传质通量；
所述稀物质传递物理场，其用来描述水在离聚物内的浓度分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合对应域的二次电流分布接口物理场的电解质电位分布来计算水在离聚物中的电拖拽传质通量；
所述二次电流分布物理场，其用来描述在各有效域内的电流密度分布，物理场之间相互耦合是所述物理场耦合浓物质传递接口物理场的电极层反应物浓度分布来计算电极反应动力学的过电位；
S103、对质子交换膜燃料电池上述物理场接口所需参数进行定义，包括全局工作温度、上述物理场所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件；
所述Brinkman方程物理场所需物性参数包括反应物密度、动力黏度、多孔域的孔隙率和渗透率；求解变量包括阴阳流场的速度分布和压强分布；初始值和边界条件包括阴阳流场的速度场初始值的设定、壁和对称面的选取、出入口流速或压强的设置；
所述浓物质传递物理场所需物性参数包括反应物密度、反应物相对摩尔质量、相对扩散系数；求解变量是反应物质量分数分布；初始值和边界条件包括混合反应物初始浓度值设定、无通量边界和对称面选取、混合物反应物出入口浓度设定；
所述稀物质传递物理场所需物性参数包括水在离聚物中的扩散速度、水在离聚物中电场迁移率；求解变量是水在离聚物中的浓度分布；初始值和边界条件包括初始值水浓度的设定、无通量边界和对称面选取；
所述二次电流分布物理场所需物性参数包括电极和电解质电导率、多孔域的电解质、电极和孔隙百分数、反应气体的热力学平衡电位和动力学参数、电极层的活性比表面积；求解变量包括电极和电解质的电位分布；初始值和边界条件包括阳极域初始电位的设定、阴极域初始工作电位的设定、绝缘、工作电位、接地和对称面选取；
S104、对质子交换膜燃料电池的三维几何仿真模型，进行网格划分，对划分后的三维仿真模型进行稳态求解，得到仿真模型上述物理场的求解变量的数据集，最后，对所述燃料电池等温稳态工作结果数据集进行可视化后处理，以此方式完成等温稳态质子交换膜燃料电池的流场、传质和电化学物理化学现象的数值模拟。
S202、对质子交换膜燃料电池固体传热物理场接口所需物性参数、求解变量、初始值和边界条件进行定义；
所述固体传热物理场，其用来描述等温质子交换膜燃料电池产热温度场分布，该物理场所需物性参数包括热导率、密度、恒压热容、多孔域的电解质、电极和孔隙百分数；求解变量是温度场分布；初始值和边界条件包括初始温度的设定、热绝缘、开放边界和对称面选取、出入口温度设定，所述物理场耦合二次电流分布物理场模拟结果中的总功耗密度来计算固体传热物理场的温度分布；
S203、耦合步骤S1的模拟结果和固体传热物理场接口，计算电池等温工作下产热的温度分布。
S303、对固体传热物理场接口下添加相应的冷却介质流道域，并将层流计算的速度场耦合到固体传热下相应域内流体的速度分布，通过调整冷却介质初始温度和入口速度，多次耦合计算添加冷却介质流道的电池温度分布，使电池稳态温度场计算结果达到等温工作条件。
（3）本发明提供的模拟方法，所述模型解耦温度的间接全耦合模拟方法相比直接全耦合求解，其计算资源消耗显著降低；
（4）本发明提供的模拟方法，在模型中加入冷却介质流场进一步优化冷却系统的工况参数，以优化质子交换膜燃料电池热管理问题。
图3是本发明的一种质子交换膜燃料电池三维仿真模型划分网格的效果图；
图中：1-1、阳极冷却水流道；1-2、阳极极板；1-3、阳极反应物流道；1-4、阳极扩散层；1-
5、阳极催化层；1-6、质子交换膜；1-7、阴极催化层；1-8、阴极扩散层；1-9、阴极反应物流道；
1-10、阴极极板；1-11、阴极冷却水流道。
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