【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于燃料電池，具體涉及一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法。
技術(shù)介紹
1、全球氣候變化已將焦點(diǎn)從化石燃料轉(zhuǎn)向清潔和可再生能源，新能源技術(shù)正成為全球性的解決方案。尤其是燃料電池，作為一種電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，具有效率高、響應(yīng)速度快、功率密度高、對(duì)環(huán)境零污染等優(yōu)點(diǎn)。但燃料電池的性能在很大程度上取決于陽極和陰極處燃料和氧化劑流體的擴(kuò)散和利用，以及電極處產(chǎn)生水的有效管理。這是因?yàn)樽銐虻乃靠梢跃S持高質(zhì)子傳導(dǎo)率，但在高負(fù)荷下的水可能會(huì)在多孔電極中凝結(jié)成液滴。如果沒有充分去除，液態(tài)水最終會(huì)在擴(kuò)散層和催化層中積聚，阻礙了反應(yīng)物的擴(kuò)散從而發(fā)生水淹，最終降低燃料電池整體的性能。有研究稱，優(yōu)化電極擴(kuò)散層可以有效緩解水淹現(xiàn)象。燃料電池?cái)U(kuò)散層的作用包括：清除燃料電池中積聚的水分、為反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑層提供途徑、為反應(yīng)區(qū)域提供結(jié)構(gòu)支撐、促進(jìn)電子和熱傳遞。通過設(shè)計(jì)擴(kuò)散層不同的結(jié)構(gòu)特征或改變擴(kuò)散層表面性質(zhì)等方式可以進(jìn)一步緩解水淹。
2、但是現(xiàn)有的模擬方法主要集中于宏觀或系統(tǒng)方面的研究，如cn116467913a公開的一種固體氧化物燃料電池的數(shù)值模擬方法中建立了電堆內(nèi)部耦合傳熱、傳質(zhì)、電化學(xué)反應(yīng)的宏觀模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)固體氧化物燃料電池的快速模擬仿真；又如cn118472326a公開的質(zhì)子交換膜燃料電池中質(zhì)量、動(dòng)量、能量和電荷傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)模擬方法中建立了電極內(nèi)不同層間的物理傳輸方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電極內(nèi)各種流體傳輸和運(yùn)移特征的模擬。上述方案都能實(shí)現(xiàn)燃料電池的性能分析和參數(shù)調(diào)控，但主要是基于不斷調(diào)整參數(shù)來尋找規(guī)律進(jìn)而確定一個(gè)較為合理的電極設(shè)計(jì)方案
3、目前針對(duì)燃料電池?cái)U(kuò)散層介尺度精細(xì)模擬方法存在以下技術(shù)難點(diǎn)：(1)難以準(zhǔn)確表征電極微觀結(jié)構(gòu)、材料組成和界面現(xiàn)象等細(xì)節(jié)，無法有效建立從微觀到宏觀尺度之間物理行為的關(guān)聯(lián)。(2)需要同時(shí)考慮多相流固交互、傳熱、傳質(zhì)與電化學(xué)反應(yīng)等多物理場(chǎng)間的相互作用，但階段的模擬方法難以準(zhǔn)確耦合這些復(fù)雜過程。(3)現(xiàn)階段的燃料電池電化學(xué)建模多基于恒定反應(yīng)速率，但實(shí)際燃料電池在動(dòng)態(tài)負(fù)載和溫度波動(dòng)的工況下運(yùn)行，如何有效表達(dá)擴(kuò)散層內(nèi)的動(dòng)態(tài)水管理和氧傳輸行為十分重要。
4、所以現(xiàn)階段亟需針對(duì)燃料電池?cái)U(kuò)散層多物理場(chǎng)耦合水管理研究皆適用的精細(xì)模擬方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的就是為了解決上述問題至少其一而提供一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中由于氣體、液體、固體和電化學(xué)過程相互耦合，其行為在介尺度上表現(xiàn)得尤為復(fù)雜，電池?cái)U(kuò)散層介尺度多物理場(chǎng)之間的精確耦合、相互反饋的模擬方法十分困難的問題。本方案根據(jù)燃料電池?cái)U(kuò)散層的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合簡(jiǎn)化的其他功能層級(jí)(流動(dòng)層和催化層)的尺度特征，構(gòu)建了一種燃料電池流動(dòng)層、擴(kuò)散層和催化層內(nèi)部多相流動(dòng)傳質(zhì)、動(dòng)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)和熱量傳遞的介尺度精細(xì)模擬方法。該方法面向真實(shí)擴(kuò)散層材料的異質(zhì)性電極結(jié)構(gòu)特征，適用于以擴(kuò)散層為基礎(chǔ)，結(jié)合其他功能層級(jí)內(nèi)研究燃料電池整體動(dòng)態(tài)電化學(xué)反應(yīng)性能以及所包含的多孔電極內(nèi)多組分流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)過程的相互作用和傳輸機(jī)制。
2、本專利技術(shù)的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
3、一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，包括如下步驟：
4、步驟1：構(gòu)建擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的計(jì)算域，所述的計(jì)算域的頂部為流動(dòng)層，所述的計(jì)算域的底部為催化層；
5、步驟2：計(jì)算計(jì)算域內(nèi)目標(biāo)工況下電化學(xué)反應(yīng)速率；
6、步驟3：確定計(jì)算域內(nèi)每處格子點(diǎn)的離散速度分布函數(shù)；
7、步驟4：計(jì)算水和氧的飽和度、宏觀壓力和宏觀速度；
8、步驟5：確定計(jì)算域內(nèi)每處格子點(diǎn)的傳質(zhì)過程控制方程，并計(jì)算氧濃度；
9、步驟6：確定計(jì)算域內(nèi)每處格子點(diǎn)的流固耦合傳熱過程控制方程，并計(jì)算宏觀溫度；
10、步驟7：判斷水飽和度和宏觀速度是否滿足設(shè)定閾值：
11、若滿足，則判定已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出水飽和度變化曲線、穩(wěn)態(tài)時(shí)電極內(nèi)氧、水的運(yùn)移分布圖像、速度梯度圖像和溫度分布圖像；
12、若不滿足，則判定未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，將步驟5、6計(jì)算得到的宏觀溫度和氧濃度代入步驟2進(jìn)行迭代。
13、優(yōu)選的，所述的介尺度模擬方法在如下設(shè)定下進(jìn)行：初始狀態(tài)下流動(dòng)層、擴(kuò)散層和催化層為氧飽和狀態(tài)；計(jì)算域頂部保持恒定的氧濃度注入和恒定的溫度分布，計(jì)算域底部發(fā)生氧濃度和溫度動(dòng)態(tài)變化的電化學(xué)反應(yīng)；計(jì)算域左、右兩側(cè)設(shè)置為周期邊界條件，計(jì)算域內(nèi)的固體壁面采用無滑移反彈邊界。
14、優(yōu)選的，步驟1，包括如下步驟：
15、(1)采集燃料電池中電極材料擴(kuò)散層的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)切片，對(duì)切片進(jìn)行圖像掃描，生成與擴(kuò)散層尺寸相匹配的流動(dòng)層和催化層，形成整體電極結(jié)構(gòu)的rgb矢量圖像；
16、(2)區(qū)分電極結(jié)構(gòu)中不同層級(jí)的結(jié)構(gòu)特征，將rgb矢量圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像；
17、(3)將二值圖像按照像素點(diǎn)的排列位置轉(zhuǎn)化成二值矩陣數(shù)組，作為計(jì)算域。
18、優(yōu)選的，步驟2，包括如下步驟：
19、(1)確定計(jì)算域中氧和水的初始分布狀態(tài)；
20、(2)設(shè)置計(jì)算域的宏觀參數(shù)和基本物性參數(shù)；
21、(3)計(jì)算目標(biāo)工況下電化學(xué)反應(yīng)中氧的消耗速率和水的生成速率：
22、氧的消耗速率r氧(x,t)：
23、
24、反應(yīng)速率常數(shù)kelec(x,t)根據(jù)如下方程計(jì)算：
25、
26、其中，i0為交換電流密度，f為法拉第常數(shù)，c氧,ref為參考氧濃度，α為傳遞系數(shù)，r為通用氣體常數(shù)，t(x,t)為宏觀溫度，η為過電勢(shì)
27、水的生成速率r水(x,t)：
28、r水(x,t)＝-2.0*r氧(x,t)。
29、優(yōu)選的，步驟3，包括如下步驟：
30、(1)確定氧和水的初始離散速度分布函數(shù)
31、
32、其中，k表示離散量的序列號(hào)，a表示計(jì)算域不同流體的序號(hào)；wk是不同離散量的權(quán)重因子；c表示格子速度；表示離散量的空間分布；ρa(bǔ)表示不同相流體的宏觀密度；表示不同相流體的宏觀速度；
33、(2)構(gòu)建流體間以及流體與壁面間的相互作用力
34、
35、其中，
36、
37、下標(biāo)中，a與β分別代表不同的流體；如，若a表示水，則β表示氧；若a表示氧，則β表示水；
38、其中，ψa(x,t)＝1-exp(-ρa(bǔ)(x,t))，g氧-水表示氧-水間的相互作用強(qiáng)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟1，包括如下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟2，包括如下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟3，包括如下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，Λa中至少一個(gè)
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟4中：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟5中：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟6中：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟7中：
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟7中，輸出結(jié)果通過計(jì)算域內(nèi)所
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟1，包括如下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟2，包括如下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，步驟3，包括如下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其特征在于，λa中至少一個(gè)
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料電池?cái)U(kuò)散層的介尺度模擬方法，其...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李玉陽，王勇祺，李偉，韓思博，滕雨璇，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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