一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法，包括构建质子交换膜燃料电池的几何模型，以建立模型方程；基于模型方程，对氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率进行敏感度分析，并对氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率为优化时的气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压进行参数化扫描，以获得数据集；根据数据集对神经网络进行训练，得到神经网络代理模型；将神经网络代理模型方程进行多目标遗传算法优化，得到Pareto解集，并通过重组优化的折中策略，确定气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压的最优解。实施本发明专利技术，能够解决现有研究容易忽视的燃料电池性能提高和寿命延长的一致性问题。延长的一致性问题。延长的一致性问题。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着全球科技、工业的快速发展，石油、天然气等石油行业的化石能源在工农业的应用上面临着资源匮乏以及环境污染等问题。所以新能源的发展成为世界能源领域的一大重中之重，例如太阳能、核能、风能、潮汐能、氢能。在众多新能源中，氢能能量效率高、零污染、适用性广等独特优点被广泛应用和研究，例如航空航天、新能源汽车等领域。氢能将成为21世纪最理想的新能源，而质子交换膜燃料电池将成为世界上最具有前景的电力能源之一。
[0003]许多研究人员对燃料电池进行了各种研究。比如，对燃料电池系统的优化以及混合动力系统优化，对燃料电池机理的研究等等，也包括了对气体扩散层的研究分析及各种优化，以此来提高性能、减少成本、延长寿命。然而，现有的大量研究要么偏重于对燃料电池的工作功率进行优化来提高燃料电池性能，要么偏重于对气体扩散层的优化来延长燃料电池寿命，但是无法实现燃料电池性能提高和寿命延长一致性优化。
[0004]因此，有必要提出一种新的优化方法，能够解决现有研究容易忽视的燃料电池性能提高和寿命延长的一致性问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法及系统，能够解决现有研究容易忽视的燃料电池性能提高和寿命延长的一致性问题，填补了燃料电池综合性能优化方向的空白。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]构建质子交换膜燃料电池的几何模型，并根据所述几何模型，建立与气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压相关联的模型方程；
[0008]基于所述模型方程，对氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率进行敏感度分析，并对氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率为优化时的气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压进行参数化扫描，以获得数据集；
[0009]根据所述数据集对预设的神经网络进行训练，得到神经网络代理模型；其中，所述神经网络以气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压作为输入，以氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率作为输出数据；
[0010]将所述神经网络代理模型方程作为适应度函数进行多目标遗传算法优化，得到Pareto解集，并通过重组优化的折中策略，确定气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压的最优解。
[0011]其中，所述模型方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程、电荷守恒方程、膜中水守恒方程、膜的平衡含水量方程、液态水饱和方程、阴阳极反应速率方程和孔隙率方程；其中，
[0012]所述质量守恒方程表示为
[0013]所述动量守恒方程表示为所述动量守恒方程表示为
[0014]所述组分守恒方程表示为
[0015]所述电荷守恒方程表示为及
[0016]所述膜中水守恒方程表示为所述膜中水守恒方程表示为
[0017]所述膜的平衡含水量方程表示为
[0018]所述液态水饱和方程表示为及及
[0019]所述阴阳极反应速率方程包括阳极反应速率方程和阴极反应速率方程；其中，所述阳极反应速率方程表示为述阳极反应速率方程表示为所述阴极反应速率方程表示为所述阴极反应速率方程表示为
[0020]所述孔隙率方程表示为
[0021]其中，ε、s
lq
、ρ
g
、P
g
、Y
i
分别表示孔隙率、液态水体积分数、气体密度、速度矢量、操作压强和质量分数；S
m
、S
u
、S
i
分别表示质量源项、动量源项和扩散源项；μ
g
表示混合气体粘度，粘度，X表示摩尔分数，M表示分子量；为修正后的气体有效扩散率，且D
i
表示气体扩散率；
[0022]phil(phis)表示离子势(电子势)；表示通过修正后的离子电导率(电子电导率)，且及及S
ion
(S
ele
)表示离子势(电子势)源项；
[0023]λ、ω、n
d
分别表示含水量、电解质体积分数和电渗阻力系数；F、ρ
mem
和EW分别表示通用气体常数、质子交换膜的密度和质子交换膜的当量；表示修正后的有效膜水扩散系数，且
[0024]a表示水活度，且a表示水活度，且；C
sat
表示饱和蒸汽浓度，且
[0025]ρ
l
表示液态水的密度；u
l
表示液态水的速度，被视为雾；k表示多孔电极固有渗透率；S
g
(S
l
)表示气体(液体)源项；k
g
(k
l
)表示气(液)相的相对渗透率，且k
g
＝(1
‑
s
lq
)3或k
l
＝s
lq3
；P
g
表示混合气体压力；P
l
表示液体压力，且P
l
＝P
g
‑
P
c
；P
c
表示毛细管压力，且σ＝(
‑
0.0001676
×
T+0.128)，θ表示多孔层接触角，σ表示表面张力；J(s)表示液态水饱和度，且
[0026]η
a
和η
c
分别表示阳极过电位和阴极过电位，且η
a
＝phis
‑
phil，η
c
＝phis
‑
phil
‑
U0；U0表示可逆电位，且U0＝1.23
‑
0.9
×
10
‑3(T
‑
298)；
[0027]m＝H
ch
+2H
cl
+H
gdl
+H
mem
；ε1表示阴极气体扩散层(或阳极气体扩散层)靠近阴极流道(或阳极流道)的孔隙率；ε2为阴极气体扩散层(或阳极气体扩散层)靠近阴极催化层(或阳极催化层)的孔隙率；z为模型在Z轴方向计算时的变化量；H
ch
表示阴极流道(或阳极流道)的厚度；H
cl
表示阴极催化层(或阳极催化层)的厚度；H
gdl
表示阴极气体扩散层(或阳极气体扩散层)的厚度；H
mem
表示质子交换膜的厚度。
[0028]其中，所述气体扩散层的两端孔隙率的范围均为range(0.3,0.1,0.7)，所述气体扩散层的厚度的范围为ran本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的多目标优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：构建质子交换膜燃料电池的几何模型，并根据所述几何模型，建立与气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压相关联的模型方程；基于所述模型方程，对氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率进行敏感度分析，并对氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率为优化时的气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压进行参数化扫描，以获得数据集；根据所述数据集对预设的神经网络进行训练，得到神经网络代理模型；其中，所述神经网络以气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压作为输入，以氧气摩尔浓度分布均匀性和燃料电池的工作功率作为输出数据；将所述神经网络代理模型方程作为适应度函数进行多目标遗传算法优化，得到Pareto解集，并通过重组优化的折中策略，确定气体扩散层的两端孔隙率及其厚度、操作压强和操作电压的最优解。2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的多目标优化方法，其特征在于，所述模型方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程、电荷守恒方程、膜中水守恒方程、膜的平衡含水量方程、液态水饱和方程、阴阳极反应速率方程和孔隙率方程；其中，所述质量守恒方程表示为所述动量守恒方程表示为所述动量守恒方程表示为所述组分守恒方程表示为所述电荷守恒方程表示为及及所述膜中水守恒方程表示为所述膜中水守恒方程表示为所述膜的平衡含水量方程表示为所述液态水饱和方程表示为及及所述阴阳极反应速率方程包括阳极反应速率方程和阴极反应速率方程；其中，所述阳极反应速率方程表示为极反应速率方程表示为所述阴极反应速率方程表示为阴极反应速率方程表示为所述孔隙率方程表示为其中，ε、s
lq
、ρ
g
、P
g
、Y
i
分别表示孔隙率、液态水体积分数、气体密度、速度矢量、操作
压强和质量分数；S
m
、S
u
、S
i
分别表示质量源项、动量源项和扩散源项；μ
g
表示混合气体粘度，X表示摩尔分数，M表示分子量；为修正后的气体有效扩散率，且D
i
表示气体扩散率；phil(phis)表示离子势(电子势)；表示通过修正后的离子电导率(电子电导率)，且及及S
ion
(S
ele
)表示离子势(电子势)源项；λ、ω、n
d
分别表示含水量、电解质体积分数和电渗阻力系数；F、ρ
mem
和EW分别表示通用气体常数、质子交换膜的密度和质子交换膜的当量；表示修正后的有效膜水扩散系数，且a表示水活度，且a表示水活度，且；C
sat
表示饱和蒸汽浓度，且示饱和蒸汽浓度，且ρ
l
表示液态水的密度；u
l
表示液态水的速度，被视为雾；k表示多孔电极固有渗透率；S
g
(S
l
)表示气体(液体)源项；k
g
(k
l
)表示气(液)相的相对渗透率，且k
g
＝(1
‑
s
lq
)3或k
l
＝s
lq3
；P
g
表示混合气体压力；P
l
表示液体压力，且P
l
＝P
g
‑
P
c
；P
c
表示毛细管压力，且σ＝(
‑
0.0001676
×
T+0.128)，θ表示多孔层接触角，σ表示表面张力...

【专利技术属性】
技术研发人员：玄东吉，毛旭平，刘胜南，谈佳淇，胡浩钦，卢陈雷，黄寅，康泽豪，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：