【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池是一种将化学能转化为电能输出的装置，其最佳工作温度在60-80℃，维持合适的工作温度对提高燃料电池输出性能、保证燃料电池寿命至关重要。受燃料电池内部物质传递、冷却液作用，燃料电池温度分布不均匀，造成输出性能下降。同时随着燃料电池向大功率化、重型化应用，燃料电池双极板数量增多、尺寸越来越薄，电堆内部的温度分布难以通过常规的热电偶之类的温度检测装置测量温度，造成电堆温度控制性能较差。因此，采用合适的方法精确掌握燃料电池内部温度分布情况对控制燃料电池整体温度，提高整体输出性能具有重要作用。
2、目前电堆温度方面技术研究主要集中在控制电堆的最大温度或平均温度方面，且大多数以冷却液出口温度代替电堆温度，造成温度控制效果较差。同时，由于电堆输出功率大，电堆整体尺寸较大，内部双极板层叠数目较多，且双极板气体流道尺寸小，随着电堆功率增大燃料电池三维仿真对计算机性能要求越高，对大功率电堆难以表征。另一方面，传统的一维理论模型难以全面表征燃料电池内部温度分布情况。因此，如何精确的获得大功率电堆内部温度分布情况，以对电堆温度进行精确控制是本领域人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，能够快速准确的表征电堆内部温度分布情况。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：>
3、一种大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，包括以下步骤：
4、s1：获取电堆单电池测试样本参数，样本参数包括空气流域入口速度、空气流域进出口压降、冷却液流域入口速度、冷却液流域进出口压降，对单电池空气流域压降进行拟合求解空气流域粘性阻力系数、空气流域惯性阻力系数，对单电池冷却液流域压降进行拟合求解冷却液流域粘性阻力系数、冷却液流域惯性阻力系数；
5、s2：构建电堆流体域简化模型，仿真求解电堆每一片单电池空气流量；
6、s3：建立燃料电池产热量理论模型，求解电堆中每一片电池发热功率；
7、s4：构建电堆二维简化模型，仿真求解电堆整体温度分布。
8、在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤s1中根据燃料电池双极板试验测试得空气流域压降与空气流域入口速度关系为：
9、
10、式中k1、k2为多项式系数，通过试验测试数据拟合曲线获得，δpair为燃料电池双极板空气流域进出口压降，vair为空气流域入口速度。
11、在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤s1中冷却液流域压降与冷却液流域入口速度关系：
12、
13、式中k3、k4为多项式系数，通过试验测试数据拟合曲线获得，δpflu为燃料电池双极板冷却液流域进出口压降，vflu为冷却液流域入口速度。
14、在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤s1中将燃料电池中双极板流体域视为多孔介质，则空气流域的压降是粘性损失项和惯性损失项的组合：
15、
16、式中μair为空气动力粘度，为空气流域粘性阻力系数，δnair为空气流域区域长度，cair为空气流域惯性阻力系数，ρair为空气密度；根据多孔介质压降公式与试验测试压降公式求解得和cair；
17、冷却液流域压降表示为：
18、
19、式中μflu为冷却液动力粘度，为冷却液流域粘性阻力系数，δnflu为冷却液流域区域长度，cflu为冷却液流域惯性阻力系数，ρflu为冷却液密度；根据多孔介质压降公式与试验测试压降公式求解得和cflu。
20、在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤s2具体包括以下步骤：
21、(1)根据燃料电池电堆三维模型，岐管处抽取出空气流域，将双极板空气流体域视为多孔流体流域，建立燃料电池电堆空气流域简化三维模型；
22、(2)将步骤(1)建立的燃料电池电堆空气流域简化三维模型导入fluent软件进行电堆单电池流量求解；分别设置空气多孔流域粘性阻力系数惯性阻力系数cair，并给定相应的边界条件，设置计算允许残差以及迭代次数进行仿真求解，当残差达到允许范围后，对仿真结果进行处理得到电堆中进入每一片电池的空气流量。
23、在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤s3具体包括以下步骤：
24、(1)通过步骤s2获得第i片电池空气流量为mi,air，则实际进入第i片电池空气过量系数可表示为：
25、
26、其中，λi,air为电堆第i片电池实际空气计量比，f为法拉第常数，为预设值，mi,air为电堆中进入第i片电池的空气流量，i为电流密度，a为单电池活化面积；
27、(2)燃料电池单电池输出电压可表示为：
28、ui＝eo-bin(i)-ri-meni
29、其中，ui为电堆中第i片电池输出电压；eo为单电池开路电压，n为指数系数，eo、n为预设值。系数b、r、m可通过单电池试验测试数据拟合曲线获得，且系数b、r、m类比于不同空气计量比的四阶多项式系数：
30、
31、
32、
33、其中，λair为单电池试验空气计量比，为预设值，则电堆中第i片电池输出电压可表示为：
34、
35、(3)电堆第i片电池产热功率可表示为：
36、pi,heat＝(1.229-ui)·i·a
37、其中，pi,heat为电堆中第i片电池产热功率。求解得到燃料电池电堆单电池发热功率。
38、在本专利技术的一个优选实施方案中，所述步骤s4具体包括以下步骤：
39、(1)根据燃料电池电堆三维模型，选取垂直于双极板方向的中心平面为二维仿真求解平面，将每个单电池的视为发热源，单电池与单电池之间为冷却液流域，冷却液由电堆入口岐管进入从出口岐管流出，建立电堆二维平面仿真简化模型；
40、(2)将步骤(1)建立的电堆二维平面仿真简化模型导入fluent软件进行电堆整体温度分布情况求解；设置电堆各个电池的发热功率pi,heat，单电池与单电池之间冷却液流域的粘性阻力系数惯性阻力系数cflu，进入电堆冷却液总流量，并给定相应边界条件，设置计算允许残差以及迭代次数进行仿真求解，当残差达到允许范围后，对仿真结果进行处理得到电堆整体温度分布情况。
41、相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
42、(1)本专利技术提供的一种大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，解决了大功率电堆三维建模仿真计算机性能要求过高、仿真计算时间过长问题，且相比于传统理论建模方式，能够更为全面的模拟电堆内部温度分布情况，同时体现出电池之间温差以及单电池前后温差，保证电堆稳定可靠运行，且为控制改善电堆温度以及温差提供优化方向。
43、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤S1中空气流域进出口压降与空气入口速度关系为：
3.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤S1中冷却液流域进出口压降与冷却液流域入口速度关系：
4.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤S1中将燃料电池中双极板流体域视为多孔介质，空气流域的压降是粘性损失项和惯性损失项的组合：
5.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
6.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
7.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤s1中空气流域进出口压降与空气入口速度关系为：
3.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特征在于，所述步骤s1中冷却液流域进出口压降与冷却液流域入口速度关系：
4.如权利要求1所述的大功率质子交换膜燃料电池电堆温度二维表征方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：褚旭阳，吴勇雄，王茜，周伟，苏亮，宋光吉，杨福清，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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