本技术属于燃料电池技术领域,具体涉及一种燃料电池扩散层的介尺度模拟方法,包括如下步骤:构建扩散层结构的计算域;计算计算域内目标工况下电化学反应速率;确定计算域内每处格子点的离散速度分布函数;计算水和氧的饱和度、宏观压力和宏观速度;确定计算域内每处格子点的传质过程控制方程并计算氧浓度;确定计算域内每处格子点的流固耦合传热过程控制方程并计算宏观温度;判断水饱和度和宏观速度是否满足阈值。与现有技术相比,本发明解决现有技术电池扩散层介尺度多物理场之间精确耦合、相互反馈的模拟方法困难的问题。本方案构建了一种燃料电池流动层、扩散层和催化层内部多相流动传质、动态电化学反应和热量传递的介尺度精细模拟方法。
背景技术
全球气候变化已将焦点从化石燃料转向清洁和可再生能源,新能源技术正成为全球性的解决方案。尤其是燃料电池,作为一种电化学能量转换装置,具有效率高、响应速度快、功率密度高、对环境零污染等优点。但燃料电池的性能在很大程度上取决于阳极和阴极处燃料和氧化剂流体的扩散和利用,以及电极处产生水的有效管理。这是因为足够的水含量可以维持高质子传导率,但在高负荷下的水可能会在多孔电极中凝结成液滴。如果没有充分去除,液态水最终会在扩散层和催化层中积聚,阻碍了反应物的扩散从而发生水淹,最终降低燃料电池整体的性能。有研究称,优化电极扩散层可以有效缓解水淹现象。燃料电池扩散层的作用包括:清除燃料电池中积聚的水分、为反应物扩散到催化剂层提供途径、为反应区域提供结构支撑、促进电子和热传递。通过设计扩散层不同的结构特征或改变扩散层表面性质等方式可以进一步缓解水淹。
但是现有的模拟方法主要集中于宏观或系统方面的研究,如CN116467913A公开的一种固体氧化物燃料电池的数值模拟方法中建立了电堆内部耦合传热、传质、电化学反应的宏观模拟方法,实现了对固体氧化物燃料电池的快速模拟仿真;又如CN118472326A公开的质子交换膜燃料电池中质量、动量、能量和电荷传输的计算机模拟方法中建立了电极内不同层间的物理传输方法,实现了对电极内各种流体传输和运移特征的模拟。上述方案都能实现燃料电池的性能分析和参数调控,但主要是基于不断调整参数来寻找规律进而确定一个较为合理的电极设计方案,这种方法没有对多相流动与复杂电极结构间的相互作用、传热、传质与电化学反应间的耦合过程和微观机制进行深入了解,所以在方案的确定中多受到经验的影响。而介尺度研究需要同时考虑流体动力学、传质、传热和电化学反应等多个动态工况下的相互作用,可以更深入地探究影响燃料电池电化学性能的机理与影响机制。但由于气体、液体、固体和电化学过程相互耦合,其行为在介尺度上表现得尤为复杂,因此开展燃料电池扩散层介尺度多物理场之间的精确耦合、相互反馈的模拟方法十分困难。
目前针对燃料电池扩散层介尺度精细模拟方法存在以下技术难点:(1)难以准确表征电极微观结构、材料组成和界面现象等细节,无法有效建立从微观到宏观尺度之间物理行为的关联。(2)需要同时考虑多相流固交互、传热、传质与电化学反应等多物理场间的相互作用,但阶段的模拟方法难以准确耦合这些复杂过程。(3)现阶段的燃料电池电化学建模多基于恒定反应速率,但实际燃料电池在动态负载和温度波动的工况下运行,如何有效表达扩散层内的动态水管理和氧传输行为十分重要。
所以现阶段亟需针对燃料电池扩散层多物理场耦合水管理研究皆适用的精细模拟方法。
实现思路