一种燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法及系统

本发明属于燃料电池运行，尤其涉及一种燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法及系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种利用氢能的高效电化学能量转化装置，能够在零碳排放的情况下稳定发电，具有广阔的应用前景。目前商业化应用的燃料电池输出电压约0.65v，为满足实际应用的需求，通常需要将数百个单元电池串联组装为电池堆以实现按需发电，电池堆运行时，阴极气体通过各单元电池共用的入口歧管进入电堆并向各电池分配流量，后流出电池阴极流场并汇聚于各单元电池公用的出口歧管排出电堆。歧管中阴极气体向各单元电池分配的过程受流动局部阻力和沿程阻力影响，由于单元电池间流动阻力不同，导致电堆中各电池分配的阴极气体流量不均匀，进一步造成电池间不均匀的电化学反应，最终恶化燃料电池堆的使用寿命和输出性能。故实现电堆中阴极气体流量分配的预测对燃料电池堆设计具有重要意义，可显著提升研发效率。

2、现有电堆流量分配预测技术中，cfd模拟和流量网络模型成为探究电堆中流量分配均匀性与电堆结构间依赖关系的主要手段。由于大尺寸电堆的cfd模型计算域生成耗时且计算成本昂贵，其在初步设计和结构优化中应用并不方便。流量网络模型虽可快速计算电堆中的流量和压力，但现有的模型中忽略了阴极气体反应后生成的液态水对流量分配的影响，这导致电堆中阴极气体流量分配不均匀性被显著高估。目前还未发现考虑阴极流场和出口歧管中两相流影响的燃料电池堆阴极气体流量分配数值预测方法。

技术实现思路

1、根据现有技术存在的问题，本发明提供一种燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法，该方法目的在于提供一种燃料电池堆阴极气体流量分配的数值预测方法，能够考虑电堆中生成水对流量分配的影响，提高电堆阴极气体流量分配结果预测结果的准确性。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法，包括以下步骤：

3、根据燃料电池堆的运行工况计算阴极气体的总入口质量流量、阴极加湿空气的动力学粘度和水的动力学粘度；

4、根据燃料电池电堆的结构参数以及总入口质量流量、阴极加湿空气的动力学粘度和水的动力学粘度计算电堆阴极气体流动时的局部压降和摩擦压降；

5、结合计算两相流损失乘数对电池阴极流场和出口歧管中的流动压降进行两相流修正；

6、根据计算的电堆阴极气体流动时的局部压降和摩擦压降建立燃料电池堆阴极流场的气体两相流网络模型，电堆阴极流场包括气体入口歧管、气体出口歧管以及各单元电池，歧管段和单元电池之间通过质量守恒和能量守恒联系；

7、根据建立的气体两相流网络模型，建立电堆中各单元电池分配气体流量的数值求解算法，通过更新各部分压降迭代求解各单元电池的入口气体流量，直至计算结果收敛，得到阴极气体流量分配结果。

8、进一步的，阴极加湿空气的动力学粘度μgas和水的动力学粘度μwater根据经验公式计算获取。

9、进一步的，所述计算电堆阴极流动时的局部压降和摩擦压降的具体步骤包括：

10、建立气体在歧管中摩擦损失△pfm与气体流速u和摩擦阻力系数rfm的关系：

11、

12、建立气体在歧管中分流局部损失△pst与气体流速u和局部阻力系数rst的关系：

13、

14、建立气体在歧管中偏转局部损失△pc与气体流速u和局部阻力系数rc的关系，

15、

16、建立单元电池阴极流场几何模型，通过流体动力学计算得到不同流速下流场进出口的压降，将不同流速下流场进出口的压降拟合为与气体流速的一元二次关系式，获得阴极流场流道中局部压力损失系数a和摩擦压力损失系数b，仅有阴极气体时流场压降与流速的关系根据以下公式计算获取，

17、δpch_total＝au2+bu。

18、进一步的，电池堆歧管入口阴极气体总质量流量mca结合电堆氧气消耗质量流量mo2、气体摩尔质量m、相对湿度rh、水蒸气饱和蒸气压psat以及歧管入口压力pc通过下式计算：

19、

20、其中，分别表示氧气、氮气、水蒸气的分子摩尔质量。

21、进一步的，所述计算两相流损失乘数的具体步骤包括：

22、设电化学反应生成的水以液体形式稳定地注入阴极流道中；

23、基于化学反应生成的水流量获得生成水的流速uwater，两相流摩擦损失乘数和两相流局部损失乘数的计算公式为，

24、

25、其中，μgas和μwater分别为阴极气体的动力学粘度和水的动力学粘度，根据经验公式计算阴极加湿空气的动力学粘度μgas和水的动力学粘度μwater；ugas和uwater分别为阴极气体和生成水的流速，χm2为mortazavi参数。

26、结合计算两相流损失乘数对电池阴极流场和出口歧管中的流动压降进行两相流修正时：

27、考虑空气-生成水两相流动影响后流道内摩擦压降△pch_fm根据下式计算：

28、

29、考虑空气-生成水两相流动影响后流道内局部压降△pch_local根据下式计算：

30、

31、进一步的，所述各歧管段和单元电池之间通过质量守恒和能量守恒联系，即所述阴极气体两相流网络模型满足以下质量守恒和能量守恒条件：

32、所有单元电池的入口气体质量流量mcell之和等与歧管入口气体质量流量mca，且第i个单元电池入口/出口歧管段中的气体质量流量mmani；任意两相邻单元电池构成的流动回路的压力降代数和为0。

33、进一步的，通过更新各部分压降迭代求解各单元电池的入口气体流量，直至计算结果收敛，得到阴极气体流量分配结果包括：

34、初始迭代步时歧管入口流量均为的分配到各个单元电池中；

35、基于当前迭代步的流量计算下式左侧总压降以及右侧前两项压降，根据能量守恒计算右侧最后一项压降结果，并反推出第i片电池中修正的气体质量流量mcell_corr；

36、δpst_in[i-1]+δpfm_in[i-1]+δpc_in[i-1]+δpch_in[i-1]+δpc_out[i-1]+δpfm_out[i-1]+δpst_out[i-1]＝δpc_in[i]+δpc_out[i]+δpch_total[i]

37、第j+1迭代步时第i片电池中气体的新流量：

38、[mcell[i]]j+1＝[mcell[i]]j+(mcell_corr[i]-[mcell[i]]j)·fr

39、对电堆中所有单元电池进行气体流量迭代修正，算法的残差值为电堆各电池的新流量与之前的流量差值的和，收敛标准为残差小于10-12。

40、本发明还提供一种基于两相流网络模型的燃料电池堆阴极气体流量分配预测系统，包括计算模块、修正模块、模型构建模块以及求解模块；

41、计算模块用于根据燃料电池堆的运行工况计算阴极气体的总入口质量流量、阴极加湿空气的动力学粘度和水的动力学粘度；同时根据燃料电池电堆的结构参数以及总入口质量流量、阴极加湿空气的动力学粘度和水的动力学粘度计算电堆阴极气体流动时的局部压降和摩擦压降；

42、修正模块用于结合计算两相流损失乘数对电池阴极流场和出口歧管中的流动压降进行两相流修正；

43、模型构建模块用于根据计算的电堆阴极气体流动时的局部压降和摩擦压降建立燃料电池堆阴极流场的气体两相流网络模型，电堆阴极流场包括气体入口歧管、气体出口歧管以及各单元电池，歧管段和单元电池之间通过质量守恒和能量守恒联系；

44、求解模块用于根据建立的气体两相流网络模型，建立电堆中各单元电池分配气体流量的数值求解算法，通过更新各部分压降迭代求解各单元电池的入口气体流量，直至计算结果收敛，得到阴极气体流量分配结果。

45、本发明同时提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法。

46、同时提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法。

47、本发明燃料电池堆阴极气体流量分配预测方法，该方法首先计算了电堆阴极气体总流量以及气体物性，确定了燃料电池电堆阴极进出口歧管以及阴极流场中气体流动局部压降和摩擦压降，分别对上述两类压降进行两相流修正以考虑阴极流场及出口歧管中空气-水两相流动对流量分配的影响；再基于质量守恒和能量守恒建立电堆阴极气体流量网络模型并进行迭代求解获得单元电池流量分配结果与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明所建立的流量网络模型考虑了流道及歧管中存在的电化学反应生成水，更接近电堆运行真实情况，可快速精准地实现阴极气体流量分配预测。