本發(fā)明屬于燃料電池運行，尤其涉及一種燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜燃料電池是一種利用氫能的高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置，能夠在零碳排放的情況下穩(wěn)定發(fā)電，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前商業(yè)化應(yīng)用的燃料電池輸出電壓約0.65v，為滿足實際應(yīng)用的需求，通常需要將數(shù)百個單元電池串聯(lián)組裝為電池堆以實現(xiàn)按需發(fā)電，電池堆運行時，陰極氣體通過各單元電池共用的入口歧管進(jìn)入電堆并向各電池分配流量，后流出電池陰極流場并匯聚于各單元電池公用的出口歧管排出電堆。歧管中陰極氣體向各單元電池分配的過程受流動局部阻力和沿程阻力影響，由于單元電池間流動阻力不同，導(dǎo)致電堆中各電池分配的陰極氣體流量不均勻，進(jìn)一步造成電池間不均勻的電化學(xué)反應(yīng)，最終惡化燃料電池堆的使用壽命和輸出性能。故實現(xiàn)電堆中陰極氣體流量分配的預(yù)測對燃料電池堆設(shè)計具有重要意義，可顯著提升研發(fā)效率。

2、現(xiàn)有電堆流量分配預(yù)測技術(shù)中，cfd模擬和流量網(wǎng)絡(luò)模型成為探究電堆中流量分配均勻性與電堆結(jié)構(gòu)間依賴關(guān)系的主要手段。由于大尺寸電堆的cfd模型計算域生成耗時且計算成本昂貴，其在初步設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中應(yīng)用并不方便。流量網(wǎng)絡(luò)模型雖可快速計算電堆中的流量和壓力，但現(xiàn)有的模型中忽略了陰極氣體反應(yīng)后生成的液態(tài)水對流量分配的影響，這導(dǎo)致電堆中陰極氣體流量分配不均勻性被顯著高估。目前還未發(fā)現(xiàn)考慮陰極流場和出口歧管中兩相流影響的燃料電池堆陰極氣體流量分配數(shù)值預(yù)測方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測方法，該方法目的在于提供一種燃料電池堆陰極氣體流量分配的數(shù)值預(yù)測方法，能夠考慮電堆中生成水對流量分配的影響，提高電堆陰極氣體流量分配結(jié)果預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、根據(jù)燃料電池堆的運行工況計算陰極氣體的總?cè)肟谫|(zhì)量流量、陰極加濕空氣的動力學(xué)粘度和水的動力學(xué)粘度；

4、根據(jù)燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及總?cè)肟谫|(zhì)量流量、陰極加濕空氣的動力學(xué)粘度和水的動力學(xué)粘度計算電堆陰極氣體流動時的局部壓降和摩擦壓降；

5、結(jié)合計算兩相流損失乘數(shù)對電池陰極流場和出口歧管中的流動壓降進(jìn)行兩相流修正；

6、根據(jù)計算的電堆陰極氣體流動時的局部壓降和摩擦壓降建立燃料電池堆陰極流場的氣體兩相流網(wǎng)絡(luò)模型，電堆陰極流場包括氣體入口歧管、氣體出口歧管以及各單元電池，歧管段和單元電池之間通過質(zhì)量守恒和能量守恒聯(lián)系；

7、根據(jù)建立的氣體兩相流網(wǎng)絡(luò)模型，建立電堆中各單元電池分配氣體流量的數(shù)值求解算法，通過更新各部分壓降迭代求解各單元電池的入口氣體流量，直至計算結(jié)果收斂，得到陰極氣體流量分配結(jié)果。

8、進(jìn)一步的，陰極加濕空氣的動力學(xué)粘度μgas和水的動力學(xué)粘度μwater根據(jù)經(jīng)驗公式計算獲取。

9、進(jìn)一步的，所述計算電堆陰極流動時的局部壓降和摩擦壓降的具體步驟包括：

10、建立氣體在歧管中摩擦損失△pfm與氣體流速u和摩擦阻力系數(shù)rfm的關(guān)系：

11、

12、建立氣體在歧管中分流局部損失△pst與氣體流速u和局部阻力系數(shù)rst的關(guān)系：

13、

14、建立氣體在歧管中偏轉(zhuǎn)局部損失△pc與氣體流速u和局部阻力系數(shù)rc的關(guān)系，

15、

16、建立單元電池陰極流場幾何模型，通過流體動力學(xué)計算得到不同流速下流場進(jìn)出口的壓降，將不同流速下流場進(jìn)出口的壓降擬合為與氣體流速的一元二次關(guān)系式，獲得陰極流場流道中局部壓力損失系數(shù)a和摩擦壓力損失系數(shù)b，僅有陰極氣體時流場壓降與流速的關(guān)系根據(jù)以下公式計算獲取，

17、δpch_total＝au2+bu。

18、進(jìn)一步的，電池堆歧管入口陰極氣體總質(zhì)量流量mca結(jié)合電堆氧氣消耗質(zhì)量流量mo2、氣體摩爾質(zhì)量m、相對濕度rh、水蒸氣飽和蒸氣壓psat以及歧管入口壓力pc通過下式計算：

19、

20、其中，分別表示氧氣、氮氣、水蒸氣的分子摩爾質(zhì)量。

21、進(jìn)一步的，所述計算兩相流損失乘數(shù)的具體步驟包括：

22、設(shè)電化學(xué)反應(yīng)生成的水以液體形式穩(wěn)定地注入陰極流道中；

23、基于化學(xué)反應(yīng)生成的水流量獲得生成水的流速uwater，兩相流摩擦損失乘數(shù)和兩相流局部損失乘數(shù)的計算公式為，

24、

25、其中，μgas和μwater分別為陰極氣體的動力學(xué)粘度和水的動力學(xué)粘度，根據(jù)經(jīng)驗公式計算陰極加濕空氣的動力學(xué)粘度μgas和水的動力學(xué)粘度μwater；ugas和uwater分別為陰極氣體和生成水的流速，χm2為mortazavi參數(shù)。

26、結(jié)合計算兩相流損失乘數(shù)對電池陰極流場和出口歧管中的流動壓降進(jìn)行兩相流修正時：

27、考慮空氣-生成水兩相流動影響后流道內(nèi)摩擦壓降△pch_fm根據(jù)下式計算：

28、

29、考慮空氣-生成水兩相流動影響后流道內(nèi)局部壓降△pch_local根據(jù)下式計算：

30、

31、進(jìn)一步的，所述各歧管段和單元電池之間通過質(zhì)量守恒和能量守恒聯(lián)系，即所述陰極氣體兩相流網(wǎng)絡(luò)模型滿足以下質(zhì)量守恒和能量守恒條件：

32、所有單元電池的入口氣體質(zhì)量流量mcell之和等與歧管入口氣體質(zhì)量流量mca，且第i個單元電池入口/出口歧管段中的氣體質(zhì)量流量mmani；任意兩相鄰單元電池構(gòu)成的流動回路的壓力降代數(shù)和為0。

33、進(jìn)一步的，通過更新各部分壓降迭代求解各單元電池的入口氣體流量，直至計算結(jié)果收斂，得到陰極氣體流量分配結(jié)果包括：

34、初始迭代步時歧管入口流量均為的分配到各個單元電池中；

35、基于當(dāng)前迭代步的流量計算下式左側(cè)總壓降以及右側(cè)前兩項壓降，根據(jù)能量守恒計算右側(cè)最后一項壓降結(jié)果，并反推出第i片電池中修正的氣體質(zhì)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迭代步時第i片電池中氣體的新流量：

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

39、對電堆中所有單元電池進(jìn)行氣體流量迭代修正，算法的殘差值為電堆各電池的新流量與之前的流量差值的和，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差小于10-12。

40、本發(fā)明還提供一種基于兩相流網(wǎng)絡(luò)模型的燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測系統(tǒng)，包括計算模塊、修正模塊、模型構(gòu)建模塊以及求解模塊；

41、計算模塊用于根據(jù)燃料電池堆的運行工況計算陰極氣體的總?cè)肟谫|(zhì)量流量、陰極加濕空氣的動力學(xué)粘度和水的動力學(xué)粘度；同時根據(jù)燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及總?cè)肟谫|(zhì)量流量、陰極加濕空氣的動力學(xué)粘度和水的動力學(xué)粘度計算電堆陰極氣體流動時的局部壓降和摩擦壓降；

42、修正模塊用于結(jié)合計算兩相流損失乘數(shù)對電池陰極流場和出口歧管中的流動壓降進(jìn)行兩相流修正；

43、模型構(gòu)建模塊用于根據(jù)計算的電堆陰極氣體流動時的局部壓降和摩擦壓降建立燃料電池堆陰極流場的氣體兩相流網(wǎng)絡(luò)模型，電堆陰極流場包括氣體入口歧管、氣體出口歧管以及各單元電池，歧管段和單元電池之間通過質(zhì)量守恒和能量守恒聯(lián)系；

44、求解模塊用于根據(jù)建立的氣體兩相流網(wǎng)絡(luò)模型，建立電堆中各單元電池分配氣體流量的數(shù)值求解算法，通過更新各部分壓降迭代求解各單元電池的入口氣體流量，直至計算結(jié)果收斂，得到陰極氣體流量分配結(jié)果。

45、本發(fā)明同時提供一種計算機(jī)設(shè)備，包括處理器以及存儲器，存儲器用于存儲計算機(jī)可執(zhí)行程序，處理器從存儲器中讀取所述計算機(jī)可執(zhí)行程序并執(zhí)行，處理器執(zhí)行計算可執(zhí)行程序時能實現(xiàn)本發(fā)明所述燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測方法。

46、同時提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時，能實現(xiàn)本發(fā)明所述的燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測方法。

47、本發(fā)明燃料電池堆陰極氣體流量分配預(yù)測方法，該方法首先計算了電堆陰極氣體總流量以及氣體物性，確定了燃料電池電堆陰極進(jìn)出口歧管以及陰極流場中氣體流動局部壓降和摩擦壓降，分別對上述兩類壓降進(jìn)行兩相流修正以考慮陰極流場及出口歧管中空氣-水兩相流動對流量分配的影響；再基于質(zhì)量守恒和能量守恒建立電堆陰極氣體流量網(wǎng)絡(luò)模型并進(jìn)行迭代求解獲得單元電池流量分配結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明所建立的流量網(wǎng)絡(luò)模型考慮了流道及歧管中存在的電化學(xué)反應(yīng)生成水，更接近電堆運行真實情況，可快速精準(zhǔn)地實現(xiàn)陰極氣體流量分配預(yù)測。