基于电阻网格的燃料电池电流分布均匀性优化分析方法

1.本发明属于燃料电池应用领域的一种燃料电池电堆中电流分布均匀性的优化分析方法，具体涉及了一种基于电阻网格的燃料电池电堆中电流分布均匀性优化分析方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池的内部反应是涉及了多种物理域、多种机理以及多耦合的复杂过程，这使得在对燃料电池电堆多个子系统建模带来了困难，同时燃料电池内部有许多物理量分布信息未知，这使得对燃料电池运行状态的精准分析成为一项巨大的挑战。在实际质子交换膜燃料电池系统的运行中，电堆内部如气流、温度、湿度以及电流沿着流道并非是均匀分布，而此类的不均匀分布会引起局部反应物传递反应不均匀，尤其是局部电流分布不均带来的温度过高，将造成对燃料电池电堆的性能损伤。目前对可表征质子交换膜燃料电池电流分布需要对电堆进行加装霍尔传感器等方式进行电堆的分段处理，霍尔传感器易受到磁场的干扰，尤其是在同时测量不同区域时，而且对电堆有不可逆的结构改造，给研究电堆内部状态变化带了巨大困难。因此，研究质子交换膜燃料电池电堆中电流分布信息以及分析其均匀性具有重要意义。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术的不足，本发明提出了基于电阻网格的燃料电池电流分布均匀性优化分析方法。本发明解决了燃料电池系统在运行过程中电堆内部电流分布均匀性难以分析的问题。
4.本发明采用的方案是：
5.本发明包括以下步骤：
6.1)搭建质子交换膜燃料电池多域物理模型，质子交换膜燃料电池多域物理模型主要由氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路模型以及燃料电池电堆模型组成，燃料电池电堆模型均与氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路模型相连；
7.2)根据燃料电池的物理原理将燃料电池电堆模型进行分段扩展，获得多段子电堆模型以及氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路进出口并通过比例阀模型进行连接，获得燃料电池分段模型；
8.3)根据燃料电池的电压损耗对燃料电池分段模型进行电气回路补偿，获得考虑电阻网格的燃料电池分段模型，将考虑电阻网格的燃料电池分段模型接到电子负载上，根据考虑电阻网格的燃料电池分段模型的段间电流，调整进气气压和冷却水流量，从而优化燃料电池电堆中电流分布的均匀性。
9.所述步骤2)具体为：
10.根据燃料电池的物理原理将燃料电池电堆模型以及燃料电池电堆模型中的氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路模型进行分段扩展，获得多段子电堆模型以及氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路进出口；
11.第一段子电堆模型、最后一段子电堆模型与氢气供应回路进出口之间通过比例阀模型进行连通，第一段子电堆模型、最后一段子电堆模型与空气供应回路进出口之间也通过比例阀模型进行连通，第一段子电堆模型、最后一段子电堆模型与冷却水冷却回路进出口之间直接连通；
12.相邻两段子电堆模型的氢气供应回路之间通过比例阀模型进行连通，相邻两段子电堆模型的空气供应回路之间也通过比例阀模型进行连通，相邻两段子电堆模型的冷却水冷却回路之间直接连通，获得燃料电池分段模型。
13.所述步骤3)具体为：
14.根据燃料电池的电压损耗，将燃料电池分段模型中相邻两段子电堆模型的电压正极之间通过段间电阻连接，各段子电堆模型的电压正极通过纵向电阻接到电子负载的正极上，各段子电堆模型的电压负极共地，各段子电堆模型的电压负极接到电子负载的负极上，从而构成考虑电阻网格的燃料电池分段模型；将流经段间电阻的电流作为段间电流，段间电流作为用于分析燃料电池电流分布均匀性的参数；根据各个段间电流，调整进气气压和冷却水流量，从而优化燃料电池电堆中电流分布的均匀性。
15.所述燃料电池分段模型中相邻两段子电堆模型的电压负极之间通过段间电阻连接，各段子电堆模型的电压负极通过纵向电阻接到电子负载的负极上。
16.所述段间电阻的阻值取决于燃料电池双极板的有效宽度、平均厚度以及有效长度。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明将多域物理建模与分段扩展应用在质子交换膜燃料电池的模型上，并通过在电气域添加电阻网格，基于段间电流大小与变化来分析燃料电池内部不同段对应电流分布的均匀性，不仅能够直接观察仿真模型中燃料电池内部电流的动态信息，同时还能够用于分析影响实际电堆内部状态中电流分布均匀性的因素与操作条件，从而减弱不同段之间电流差值对电堆的影响，有益于电堆的健康运行。
19.本发明所依据的原理是燃料电池分段模型因内部反应引起气体消耗，释放热量，造成压力逐段递减，温度逐段升高，不同段内部状态不一致，耦合作用产生的电压与电流，通过电阻网格作用，流经双极板横向电阻产生的段间电流，燃料电池内部电流分布均匀性反映于段间电流动态变化上。
附图说明
20.图1是本发明的整体流程图。
21.图2是本发明实施例中基于电阻网格的燃料电池分段模型系统结构图。
22.图3是本发明实施例中基于电阻网格的燃料电池分段模型中段间电流仿真结果图。
23.图4是本发明实施例中是否考虑段间电流的燃料电池分段模型电堆内部电流分布均匀性对比结果图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
25.如图1所示，本发明包括以下步骤：
26.在质子交换膜燃料电池多域物理模型中，根据燃料电池实际系统结构，对该模型的进气回路中气体都同时设置有入口和出口两个变量，氢气进气回路与空气进气回路隔开，同时在燃料电池内部考虑有反应气体的消耗以及气体的渗透等因素的影响，出口值动态仿真中贴合实际的反应现象，根据燃料电池系统运行时，反应气体的供给，生成物排放、电荷传输，热传递等过程同时进行，以至于温度、湿度、气流和电流沿反应物流场分布不均的物理现象，搭建燃料电池反应机理搭建电压模型、热力学温度模型、气体在流道中动态传输模型、气压动态模型以及气液两相流模型等多个不同域之间相互耦合的物理模型。
27.1)搭建质子交换膜燃料电池多域物理模型，燃料电池包括氢气供应回路、空气供应回路和冷却水冷却回路三个主回路结构以及质子交换膜燃料电池电堆，质子交换膜燃料电池多域物理模型主要由氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路模型和质子交换膜燃料电池电堆模型组成，燃料电池电堆模型均与氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路模型相连；其中燃料电池电堆模型是根据根据反应机理搭建的，燃料电池电堆模型主要由电压模型、热力学温度模型、气体在流道中动态传输模型、气压动态模型以及气液两相流模型等多个不同域之间相互耦合的物理模型组成。
28.2)根据燃料电池的物理原理将燃料电池电堆模型进行分段扩展，获得多段子电堆模型以及氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路进出口并通过比例阀模型进行连接，获得燃料电池分段模型；
29.步骤2)具体为：
30.根据燃料电池的物理原理将燃料电池电堆模型以及燃料电池电堆模型中的氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路模型进行分段扩展，获得多段子电堆模型以及氢气供应、空气供应和冷却水冷却回路进出口，
31.第一段子电堆模型、最后一段子电堆模型与氢气供应回路进出口之间通过比例阀模型进行连通，第一段子电堆模型、最后一段子电堆模型与空气供应回路进出口之间也通过比例阀模型进行连通，第一段子电堆模型、最后一段子电堆模型与冷却水冷却回路进出口之间直接连通；
32.相邻两段子电堆模型的氢气供应回路之间通过比例阀模型进行连通，相邻两段子电堆模型的空气供应回路之间也通过比例阀模型进行连通，相邻两段子电堆模型的冷却水冷却回路之间直接连通，获得燃料电池分段模型。
33.通过在气体回路上添加比例阀模型，气体流经比例阀产生压力损耗，将分段后的燃料电池内部压力等效为比例阀两端压力，冷却水经前段燃料电池产热，温度会逐段升高，每段燃料电池内部发生化学反应。燃料电池分段模型因内部反应引起气体消耗，释放热量，造成压力逐段递减，温度逐段升高，不同段燃料电池的内部气体组分、湿度不一致，耦合作用产生分布式的电压与电流。
34.3)根据燃料电池的电压损耗对燃料电池分段模型进行电气回路补偿，获得考虑电阻网格的燃料电池分段模型，将考虑电阻网格的燃料电池分段模型接到电子负载上，根据考虑电阻网格的燃料电池分段模型的段间电流，调整气压和冷却水流量，从而优化燃料电池电堆中电流分布的均匀性。
35.步骤3)具体为：
36.根据燃料电池的电压损耗，将燃料电池分段模型中相邻两段子电堆模型的电压正极之间通过段间电阻连接，根据电路原理，各段子电堆模型的电压正极通过纵向电阻接到电子负载的正极上，根据燃料电池双极板在物理结构上的对称性，各段子电堆模型的电压负极共地，等电势为零，燃料电池分段模型相邻两段子电堆模型的电压负极之间电阻网格可通过负极接地等效至电压正极，各段子电堆模型的电压负极接到电子负载的负极上，从而构成考虑电阻网格的燃料电池分段模型，如图3所示；根据电化学原理，电子负载两端的电压与加入电阻网格后的燃料电池输出电压一致，流经电子负载的电流为各段燃料电池电流之和；将流经电压正极的段间电阻的电流作为段间电流，段间电流作为用于分析燃料电池电流分布均匀性的参数；根据各个段间电流，调整气压和冷却水流量，从而优化燃料电池电堆中电流分布的均匀性。
37.其中，具体实施中燃料电池分段模型中相邻两段子电堆模型的电压负极之间也可以通过段间电阻连接，各段子电堆模型的电压负极也可以通过纵向电阻接到电子负载的负极上。
38.在燃料电池电压损耗中，除电压模型中所涉及的由反应动力学引起的活化损耗、由离子和电子传导引起的欧姆损耗以及由质量传输引起的浓度损耗外，同时还考虑单片电池横向电流通过双极板产生的电压损耗，此部分的电压将由所设计的电阻网格结构损耗体现。
39.本实施例中，对于该已在气体回路以及冷却水回路进行分段扩展的燃料电池模型，在三段的电气回路中增加电阻网格的电路结构，用于模拟电流跨越质子交换膜燃料电池石墨双极板的实际现象，能够影响燃料电池电流分布。根据燃料电池双极板在物理结构上的对称性，将三段燃料电池的电压负极相连共地，等电势为零，燃料电池正极电压可表示为燃料电池两端输出电压差，将双极板横向电阻上产生的压降等效到由燃料电池输出电压正极端的电阻网格，通过在第一、二两端以及第二、三两端的电压正极输出之间接入电阻，用于表征双极板横向电阻，根据燃料电池双极板的有效宽度、平均厚度以及选取的有效长度值用于分别计算该燃料电池模型中电阻网格对应的电阻取值，流经该两个电阻的电流为分段过后燃料电池的段间电流，燃料电池的阳极氢气气压、阴极氧气气压以及燃料电池电堆温度均为影响燃料电池的输出电压与电流的重要因素，同时电压与电流之间也存在着动态耦合的关系，段间电流可作为用于分析燃料电池电流分布均匀性的指标。
40.在动态仿真时，为反映燃料电池电压与电流的关系，设定该电子负载为可变负载，选择调整气压，冷却水流量等方式，可根据段间电流的大小与波动，分析燃料电池电流分布的均匀性是受气压、温度、反应物浓度的分布不均匀等因素的影响，从而可以通过调整影响因素来优化燃料电池电流分布的均匀性。
41.通过搭建分段多域物理模型来分析燃料电池电堆内部电流分布的均匀性，多域物理仿真模型在matlab的simulink建模仿真平台上搭建。基于电阻网格的分段扩展燃料电池模型结构如图2所示，将该模型扩展为三段，每两段之间流经电阻的电流为段间电流，对该模型进行两次电流拉载，可见段间电流动态变化与大小，如图3所示，与负载电流的变化趋势及各段电流差值具有正相关性。对分段燃料电池段内电流以及考虑段间电流的分段燃料电池各段电流进行对比，对比结果如图4所示，可见考虑段间电流的分段燃料电池模型电流分布更加均匀。仿真结果表明段间电流可作为用于分析燃料电池电流分布均匀性的参数，
且考虑段间电流的分段模型结构可改善电流分布的均匀性。