[发明专利]质子交换膜燃料电池双极板流场参数设计的数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板流场参数设计的数值模拟方法，该方法首先使用Dynaform对双极板的冲压成型性进行模拟分析，得出合适的冲压成型范围，接着以此为依据进行燃料电池双极板的流场设计，最后使用CFD软件对质子交换膜燃料电池输出性能进行模拟，得出性能最好的双极板流场尺寸。本发明将质子交换膜燃料电池性能数值模拟与燃料电池双极板冲压成型模拟相结合，最终得到一种优化的双极板流场尺寸，使得燃料电池具有较好的输出性能和安全性能，本发明方法大大降低了流场设计的成本，简化了实验研究，节约了大量时间和成本，提高了数值模拟的实际应用性。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池双极板流场参数设计的数值模拟方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC),是以氢气为阳极燃料，空气或氧气为阴极燃料，全氟磺酸型固体聚合物为电解质，在纯Pt或Pt/C系列催化剂作用下，通过电极反应将储存在燃料中的化学能直接转变成电能的装置。质子交换膜燃料电池不仅具有无污染、高效率、无噪声等优点，还具有工作温度低(一般为60-100℃)、功率密度高(0.6～1.0kW/L))、启动快(数秒)等优点，具有广阔的应用前景，成为世界各国的研究热点之一。

一个质子交换膜燃料电池本体是由若干个单电池组成的，单电池主要由膜电极和双极板组成。双极板是PEMFC电池的关键组件之一，在电池中，双极板起分隔氧化剂和还原剂、支撑膜电极、收集和传导电流等作用。其成本占据整个电池成本的40～60％，重量占据整个电池重量的约80％，因此，降低双极板成本以及提高性能是我们急需解决的问题。

燃料电池双极板的流场设计对燃料电池的性能有着重要的影响，一个理想的质子交换膜燃料电池流场设计可以使气体摩尔分数均匀的分布在整个电池表面区域。这种理想的设计可以使电流密度分布更加均匀，也可以使温度以及产生的液态水在电池内部均匀分布。这些均匀的分布可以膜电极上产生更小的机械压力，从而使电池具有更长的使用寿命。现阶段应用比较多的双极板流场形式有蛇形流场、直流场、交指形流场、多通道蛇形流场等。进一步了解燃料电池内部的运输和反应现象来指导电池设计，以提供更好的性能。

流场设计需要考虑许多的因素，比如流场的具体形式以及尺寸对燃料电池输出功率的影响，并且还要考虑双极板材料的特性。使用传统的实验方法去进行双极板流场的设计工作非常的繁琐，不仅费时费力而且难以分析流场内部情况，如物质分布，压力温度的分布等。而通过数值模拟技术就可以很好地解决这一问题，使用流体模拟软件Fluent可以很好的模拟分析燃料电池内部的情况，直观的了解流场内物质传输，热量传递，水的管理等，从而得出更好的电池性能。通过数值模拟结果来指导流场的设计以及实验研究，进一步优化双极板流场的设计，并通过实验测试实际燃料电池的性能，对模拟结果进行验证。数值模拟技术的应用大大降低了流场设计的成本，简化了实验研究，节约了大量时间和成本。所以说数值模拟对于燃料电池的研究具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种质子交换膜燃料电池双极板流场参数设计的数值模拟方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池双极板流场参数设计的数值模拟方法，包括以下步骤：

1)建立双极板冲压过程的力学模型，根据力学模型采用有限元软件建立三维模型，对双极板冲压成形过程进行数值模拟，根据成形极限图(FLD)和板料减薄情况，预测和消除成形极限图中的起皱和破裂缺陷，从而得到以最佳成形工艺和安全为目标的流场尺寸范围；

2)对质子交换膜燃料电池的模拟参数进行全局定义，包括双极板的材料、双极板流场形式、双极板尺寸、燃料电池各部分的物性参数以及边界条件；

所述合金双极板尺寸根据步骤1)的流场尺寸范围选取获得；