燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法及装置与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法及装置。


背景技术：

2.气体扩散层位于催化剂层和双极板之间，在燃料电池中具有多个重要功能。水分主要在氢氧燃料电池的阴极生成，生成的水分在气体扩散层中传递的整个过程为热质耦合传递，不同气体扩散层的物性、内部结构、表面积等也对水分传热传质过程产生一定影响，导致了水分在气体扩散层中传热传质的规律较为复杂。
3.通常可用菲克扩散定律来描述沿扩散方向扩散物质的流通量与浓度梯度的关系。氢氧燃料电池的阴极生成的水分在气体扩散层的扩散过程中，热量分别由膜电极和热空气传至气体扩散层；气体扩散层内的水以气态或液态形式，经孔隙传递至阴极极板，水分传递通量采用菲克扩散定律计算。为了描述燃料电池阴极生成的水分在气体扩散层中传递的整个过程，现有技术通常将气体扩散层作为一个整体进行仿真，没有考虑气体扩散层微观孔隙结构与水分气液含量的关系和从宏观尺度探究气体扩散层内的热质传输规律，导致仿真结果不够全面、准确。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法及装置，以缓解相关技术中存在的上述问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法，所述方法包括：建立气体扩散层的孔隙网格物理模型；其中，所述孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙，所述孔隙包括横向孔隙和竖向孔隙，通过所述横向孔隙和所述竖向孔隙在同一平面交错成多个网格空间，每个网格空间由平行相邻的两个横向孔隙和平行相邻的两个竖向孔隙通过孔节点首尾相接而成，每个网格空间内填充有固体基质；通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；其中，所述质通量包括每个孔隙中液态水蒸发传输的净流出质通量、每个孔节点中由燃料电池阴极产生的第一水蒸气传输的第一净流入质通量和每个孔节点中由与其相连的孔隙中液态水蒸发产生的第二水蒸气传输的第二净流入质通量；通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。
6.第二方面，本发明实施例还提供一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置，所述装置包括：第一建立模块，用于建立气体扩散层的孔隙网格物理模型；其中，所述孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙，所述孔隙包括横向孔隙和竖向孔隙，通过所述横向孔隙和所述竖向孔隙在同一平面交错成多个网格空间，每个网格空间由平行相邻的两个横向孔隙和平行相邻的两个竖向孔隙通过孔节点首尾相接而成，每个网格空间内填
充有固体基质；第一求解模块，用于通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；其中，所述质通量包括每个孔隙中液态水蒸发传输的净流出质通量、每个孔节点中由燃料电池阴极产生的第一水蒸气传输的第一净流入质通量和每个孔节点中由与其相连的孔隙中液态水蒸发产生的第二水蒸气传输的第二净流入质通量；第二求解模块，用于通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。
7.本发明实施例提供的一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法及装置，根据气体扩散层的孔隙率建立气体扩散层的孔隙网格物理模型，孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙；通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。采用上述技术，既考虑了气体扩散层的微观孔隙结构和气体扩散层中水分的气液变换，又能从宏观尺度探究气体扩散层内热质传输规律，可以为燃料电池的水热管理和气体扩散层设计提供全面、准确的参考依据。
8.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
9.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本发明实施例中一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法的流程示意图；
12.图2为本发明实施例中孔隙网格物理模型的示例图；
13.图3为本发明实施例中一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置的结构示意图；
14.图4为本发明实施例中另一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置的结构示意图。
具体实施方式
15.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.目前，为了描述燃料电池阴极生成的水分在气体扩散层中传递的整个过程，现有技术通常将气体扩散层作为一个整体进行仿真，没有考虑气体扩散层微观孔隙结构与水分气液含量的关系和从宏观尺度探究气体扩散层内的热质传输规律，导致仿真结果不够全面、准确。基于此，本发明实施提供的一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法及装置，可以缓解相关技术中存在的上述问题。
17.为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法进行详细介绍，参见图1所示的一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
18.步骤s102，建立气体扩散层的孔隙网格物理模型。
19.其中，上述孔隙网格物理模型可以包括固体基质、孔节点和孔隙，孔隙可以包括横向孔隙和竖向孔隙，通过横向孔隙和竖向孔隙在同一平面交错成多个网格空间，每个网格空间可以由平行相邻的两个横向孔隙和平行相邻的两个竖向孔隙通过孔节点首尾相接而成，每个网格空间内可以填充有固体基质。
20.示例性地，参见图2所示，该孔隙网格物理模型中，用c、tx、ty和p分别对固体基质、横向孔隙、竖向孔隙和孔节点进行编号，图2中，通过孔节点(,j)
p
、孔节点(,j+1)
p
、孔节点(i+1,j+1)
p
和孔节点(+1,j)
p
将横向孔隙(,j)
tx
、横向孔隙(,j+1)
tx
、竖向孔隙(,j)
tx
和竖向孔隙(+1,j)
tx
连成一个网格空间，该网格空间填充有固体基质(,j)c。
21.步骤s104，通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量。
22.其中，上述质通量可以包括每个孔隙中液态水蒸发传输的净流出质通量、每个孔节点中由燃料电池阴极产生的第一水蒸气传输的第一净流入质通量和每个孔节点中由与其相连的孔隙中液态水蒸发产生的第二水蒸气传输的第二净流入质通量。
23.步骤s106，通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。
24.本发明实施例提供的一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法，根据气体扩散层的孔隙率建立气体扩散层的孔隙网格物理模型，孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙；通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。采用上述技术，既考虑了气体扩散层的微观孔隙结构和气体扩散层中水分的气液变换，又能从宏观尺度探究气体扩散层内热质传输规律，可以为燃料电池的水热管理和气体扩散层设计提供全面、准确的参考依据。
25.作为一种可能的实施方式，上述步骤s102(即建立气体扩散层的孔隙网格物理模型)可以包括：将每个孔隙、每个孔节点和每个网格空间内固体基质各自的控制体均设置为长方体，并确定各个控制体的尺寸。
26.上述确定各个控制体的尺寸的步骤可以包括以下操作方式：
27.(11)基于预设的气体扩散层的厚度，确定各个孔节点的控制体的第一尺寸；其中，第一尺寸可以包括第一边长、第一表面面积和第一体积。
28.(12)基于预设的所述厚度、孔节点间距和各个孔隙的半径以及各个孔节点的控制
体的第一边长，确定各个孔隙的控制体的第二尺寸；其中，所述第二尺寸包括第一宽度、第一长度、第二表面面积和第二体积。
29.(13)基于预设的所述厚度和孔节点间距以及各个孔隙的控制体的第一宽度，确定各个网格空间内固体基质的控制体的第三尺寸；其中，所述第三尺寸包括横向边长、竖向边长、第三表面面积和第三体积。
30.示例性地，给定实际气体扩散层的厚度，将每个孔隙、每个孔节点和每个网格空间内固体基质的控制体均简化为长方体，基于此，可按照如下方式计算各个孔隙、各个孔节点和各个网格空间内固体基质的控制体的边长、表面面积和体积：
31.定义孔节点的边长为与孔节点的左、右、下、上表面相接的四个孔隙的直径的最大值，接续前例图2，孔节点(i，j)
p
的控制体的边长、表面面积和体积分别为：
[0032][0033][0034][0035]
式中，a代表边长，单位m；d代表直径，单位m；a代表表面积，单位m2；v代表体积，单位m3；ω代表模型厚度(即气体扩散层的厚度)，单位m；(i，j)代表编号；下标w、e、s、n分别表示左表面、右表面、下表面、上表面；下标p、tx、ty分别表示孔节点、横向孔隙节点和竖向孔隙节点。
[0036]
定义孔隙的宽度为孔隙的直径(也即孔隙的半径的两倍)，定义孔隙的长度为与孔隙两端孔节点间距减去孔隙两端孔节点边长之和一半，接续前例图2，横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
的控制体的宽度、长度、表面面积和体积分别为：
[0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047]
式中，10代表孔隙的长度，单位m；r代表半径，单位m。
[0048]
接续前例图2，若横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水的长度分别为和则横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水的传质面积和传质体积分别为：
[0049][0050]
[0051][0052][0053]
式中，l代表孔隙中液态水的长度，单位m；上标l代表液态水；
[0054]
横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中水蒸气的传质面积和体积为：
[0055][0056][0057][0058][0059]
式中，上标v代表水蒸气。
[0060]
定义固体基质的边长为固体基质相邻孔隙两端孔节点间距减去固体基质相邻孔隙半径之和一半。接续前例图2，固体基质(i，j)c的控制体的横向边长、竖向边长、表面面积和体积分别为：
[0061][0062][0063][0064][0065][0066][0067]
式中，a
x
代表横向边长，单位m；ay代表竖向边长，单位m；α代表修正系数。
[0068]
作为一种可能的实施方式，上述燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法还可以包括：
[0069]
(21)建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第一关系：
[0070][0071]
[0072][0073]
其中，v
(i，j)p
为孔节点(i，j)
p
的控制体的第一体积，为孔节点(i，j)
p
中水蒸气在第n+1个时间步的密度，为节点(i，j)
p
中水蒸气在第n个时间步的密度，∑(-a
·jv
)
nb
为孔节点(i，j)
p
中第一水蒸气在第n个时间步的第一净流入质通量，∑(a
·
sv)
nb
为孔节点(i，j)
p
中第二水蒸气在第n个时间步的第二净流入质通量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
、横向孔隙(i-1，j)
tx
、竖向孔隙(i，j)
ty
和竖向孔隙(i，j-1)
ty
的孔隙状态参数，δx为横向相邻孔节点的间距，δy为竖向相邻孔节点的间距，dv为水蒸气扩散系数，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
的控制体的左表面面积、横向孔隙(i-1，j)
tx
的控制体的右表面面积、竖向孔隙(i，j)
ty
的控制体的下表面面积和竖向孔隙(i，j-1)
ty
的控制体的上表面面积，hv为单位面积液态水蒸发量，ρ
vep
为饱和水蒸气密度。
[0074]
上述孔隙状态参数f为孔隙中水蒸气质量占孔隙中水分总质量的百分比，f通常为0～1之间的值，当孔隙中全部为水蒸气时f＝1，当孔隙中全部为液态水时f＝0。
[0075]
(22)建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第二关系：
[0076][0077]
其中，(ao)
(i，j)p
为孔节点(i，j)
p
的水蒸气密度系数，的水蒸气密度系数，和分别为孔节点(i，j)
p
的左表面、右表面、下表面和上表面各自的水蒸气密度系数，和分别为孔节点(i-1，j)
p
、(i+1，j)
p
、(i，j-1)
p
和(i，j+1)
p
中水蒸气在第n+1个时间步的密度，(b)
(i，j)p
为孔节点(i，j)
p
的水蒸气密度系数与孔节点(i，j)
p
中水蒸气在第n个时间步的密度之间的乘积。
[0078]
(23)建立各个孔隙中液态水蒸发传质过程的以下第三关系：
[0079][0080][0081]
其中，ρw为液态水的密度，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n+1个时间步的体积，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的体积。
[0082]
(24)建立各个孔隙中水分传质过程的以下第四关系：
[0083]
[0084][0085]
其中，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n+1个时间步的长度，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的传输质量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中水蒸气在第n个时间步的传输质量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的长度。
[0086]
(25)将上述第一关系、上述第二关系、上述第三关系和上述第四关系组成上述传质数学模型。
[0087]
作为一种可能的实施方式，上述步骤s104(即通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量)可以包括：
[0088]
(31)设置传质数学模型的第一初始条件和第一边界条件；其中，第一初始条件包括各个孔隙中液态水的密度和初始长度，第一边界条件是由气体扩散层与膜电极接触的表面、气体扩散层与阴极极板接触的表面和气体扩散层表征对称性的表面确定的。
[0089]
(32)基于第一初始条件和第一边界条件，通过第四关系求解得到每个孔隙中液态水在每个时间步的长度。
[0090]
(33)基于每个孔隙中液态水在当前时间步和下一个时间步的长度，通过第三关系求解得到每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量。
[0091]
(34)基于每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量，通过第一关系求解得到每个孔节点中水蒸气在当前时间步的密度。
[0092]
(35)基于每个孔节点中水蒸气在当前时间步的密度，通过第二关系求解得到每个孔节点中水蒸气在下一个时间步的密度。
[0093]
(36)对于每个时间步，基于每个孔节点中水蒸气在该时间步的密度，通过第一关系求解得到每个孔节点中第一水蒸气在该时间步的第一净流入质通量。
[0094]
(37)对于每个时间步，基于每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量，通过第三关系求解得到每个孔隙中液态水在当前时间步的净流出质通量。
[0095]
作为一种可能的实施方式，上述燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法还可以包括：
[0096]
(41)基于能量守恒定律，建立用于表征各个网格空间内传热过程的以下第五关系：
[0097][0098]
其中，ρ为网格空间内固体基质、液态水和水蒸气在第n个时间步的平均密度，c
p
为网格空间在第n个时间步的平均比热容，t为网格空间在第n个时间步的平均温度，λ为网格空间在第n个时间步的平均导热系数，s
γ
为网格空间在第n个时间步的相变潜热量变化率。
[0099]
(42)将上述第五关系组成上述传热数学模型。
[0100]
作为一种可能的实施方式，上述步骤s106(即通过预先建立的气体扩散层的传热
数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量)可以包括：
[0101]
(51)设置传热数学模型的第二初始条件和第二边界条件；其中，第二初始条件包括气体扩散层的初始平均温度和阴极极板流道内热空气的温度，第二边界条件是由气体扩散层与膜电极接触的表面、气体扩散层与阴极极板接触的表面和气体扩散层表征对称性的表面确定的。
[0102]
(52)基于第二初始条件和第二边界条件，通过第五关系迭代求解各个网格空间在每个时间步的相变潜热量变化率。
[0103]
为了便于理解，在此以某一具体应用对上述燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法进行示例性描述如下。参见图3所示，该方法可以按照以下步骤进行：
[0104]
步骤s302，将气体扩散层视为多孔介质，建立孔隙网格物理模型。
[0105]
在建立孔隙网格物理模型时，将计算区域离散成由固体基质、孔节点和孔隙组成的多个网格空间(具体可参见图2)，将每个孔隙、每个孔节点和每个网格空间内固体基质各自的控制体均设置为长方体，并计算各个控制体的几何信息(即尺寸)；之后还可将每个网格空间的几何信息、位置信息和物理参数信息存储至相应的存储空间；其中，物理参数信息可以包括孔隙率、密度、导热系数等，对此不进行限定。
[0106]
步骤s304，建立气体扩散层水分传递过程的传质数学模型。
[0107]
水分传输过程包括相邻孔节点间的水蒸气传输质通量和孔节点相邻孔隙中液态水蒸发传输的质通量。
[0108]
对孔节点(i,j)
p
的水蒸气传质数学方程形式如下：
[0109][0110]
相邻孔节点间的水蒸气传输质通量采用菲克扩散定律计算，由当前孔节点与其相邻孔节点之间水蒸气传输量累积可以得到当前孔节点中水蒸气传输的净流入量：
[0111][0112]
孔节点相邻孔隙中液态水蒸发传输的质通量由孔节点相邻孔隙中气液界面水蒸气饱和密度与孔节点相邻孔隙中水蒸气当前密度之间的差决定，由当前孔节点与其相邻孔隙之间由液态水蒸发产生的水蒸气传输量累加可以得到孔节点相邻孔隙中液态水蒸发传输的净流入量：
[0113][0114]
孔节点中水蒸气传质过程由菲克扩散定律描述如下：
[0115][0116]
孔隙中水分传质过程由菲克扩散定律描述如下：
[0117][0118][0119]
孔隙中液态水蒸发传质过程由菲克扩散定律描述如下：
[0120][0121][0122]
此外，气体扩散层的细微孔隙中还存在气液相界面移动过程。对于某个空隙来说，随着该孔隙中液态水的蒸发，该孔隙中液态水与水蒸气的交界面根据该孔隙中毛细压强的大小移动，该孔隙中液态水的体积流量与该孔隙中液态水液柱两端的毛细压强差成正比，该孔隙中液态水通过孔节点向其他孔隙移动的过程满足质量守恒定律，即该孔隙中液态水和水蒸气的总质量保持不变。
[0123]
步骤s306，基于孔隙网格物理模型建立气体扩散层的传热数学模型。
[0124]
气体扩散层中主要的热量传递方式为热传导和相变传热。热传导包括气体扩散层内固体基质、液态水、水蒸气间的导热，相变传热为孔隙内液态水与水蒸气之间相互转化产生的热量。根据能量守恒定律，单位时间区域内热量变化量＝单位时间相邻区域传入的净热量-单位时间区域内气液转化的相变潜热量：
[0125][0126]
对于某个时间步，可据此计算得到每个网格空间在该时间步的相变潜热量变化率，从而得到气体扩散层在该时间步的相变潜热量变化率分布情况。
[0127]
步骤s308，设置传质数学模型的初始条件和边界条件。
[0128]
传质数学模型的初始条件包括：初始时刻，给定各个孔隙中的液态水含量，根据液相饱和度给定液态水密度和各个孔隙中液态水长度，液态水长度采用孔隙的长度。
[0129]
传质数学模型的边界条件分为三类：气体扩散层与膜电极接触的表面(即图2中的202)、气体扩散层表征对称性的表面(即图2中的203和204)、气体扩散层与阴极极板热空气
接触的表面(即图2中的201)。气体扩散层与膜电极接触的表面以扩散的方式与气体扩散层的各个孔节点传质；阴极极板流道内的热空气通过对流的方式与气体扩散层的各个孔节点传质；采用表征对称性的表面是由于模型研究的尺度有限，取气体扩散层某一区域进行研究，所取区域表面具有对称性。
[0130]
步骤s310，设置传热数学模型的初始条件和边界条件。
[0131]
传热数学模型的初始条件包括：初始时刻，给定气体扩散层的整体温度，给定阴极极板流道内热空气的温度，且气体扩散层的整体温度与流入燃料电池的热空气温度(也即阴极极板流道内热空气的温度)相同。
[0132]
传热数学模型的边界条件分为三类：气体扩散层与膜电极接触的表面(即图2中的202)、气体扩散层表征对称性的表面(即图2中的203和204)、气体扩散层与阴极极板热空气接触的表面(即图2中的201)。质子交换膜通过热传导的方式与气体扩散层换热，阴极极板流道内的热空气通过对流的方式与气体扩散层传热。
[0133]
步骤s312，通过气体扩散层的传质数学模型和传热数学模型进行求解。
[0134]
通过上述传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量，通过上述传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。
[0135]
在通过上述传质数学模型进行求解时，还可先判断各个孔隙中是否有水蒸气，若有则计算液态水的蒸发量并计算各个孔隙中由于液态水蒸发成水蒸气而造成的液面移动量，若没有则不计算液态水的蒸发量。采用该方式可以减少计算的冗余，从而提高传质数学模型计算的效率。
[0136]
基于上述燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法，本发明实施例还提供了一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置，参见图4所示，该装置可以包括以下模块：
[0137]
第一建立模块402，用于建立气体扩散层的孔隙网格物理模型；其中，所述孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙，所述孔隙包括横向孔隙和竖向孔隙，通过所述横向孔隙和所述竖向孔隙在同一平面交错成多个网格空间，每个网格空间由平行相邻的两个横向孔隙和平行相邻的两个竖向孔隙通过孔节点首尾相接而成，每个网格空间内填充有固体基质。
[0138]
第一求解模块404，用于通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；其中，所述质通量包括每个孔隙中液态水蒸发传输的净流出质通量、每个孔节点中由燃料电池阴极产生的第一水蒸气传输的第一净流入质通量和每个孔节点中由与其相连的孔隙中液态水蒸发产生的第二水蒸气传输的第二净流入质通量。
[0139]
第二求解模块406，用于通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。
[0140]
本发明实施例提供的一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置，根据气体扩散层的孔隙率建立气体扩散层的孔隙网格物理模型，孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙；通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；通过预先建立的气体扩散层的传热数学模
型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。采用上述技术，既考虑了气体扩散层的微观孔隙结构和气体扩散层中水分的气液变换，又能从宏观尺度探究气体扩散层内热质传输规律，可以为燃料电池的水热管理和气体扩散层设计提供全面、准确的参考依据。
[0141]
上述第一建立模块402还可以用于：将每个孔隙、每个孔节点和每个网格空间内固体基质各自的控制体均设置为长方体，并确定各个控制体的尺寸。
[0142]
上述第一建立模块402还可以用于：基于预设的气体扩散层的厚度，确定各个孔节点的控制体的第一尺寸；其中，所述第一尺寸包括第一边长、第一表面面积和第一体积；基于预设的所述厚度、孔节点间距和各个孔隙的半径以及各个孔节点的控制体的第一边长，确定各个孔隙的控制体的第二尺寸；其中，所述第二尺寸包括第一宽度、第一长度、第二表面面积和第二体积；基于预设的所述厚度和孔节点间距以及各个孔隙的控制体的第一宽度，确定各个网格空间内固体基质的控制体的第三尺寸；其中，所述第三尺寸包括横向边长、竖向边长、第三表面面积和第三体积。
[0143]
参见图4所示，该装置还可以包括：
[0144]
第二建立模块408，用于建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第一关系。
[0145][0146][0147][0148]
其中，v
(i，j)p
为孔节点(i，j)
p
的控制体的第一体积，为孔节点(i，j)
p
中水蒸气在第n+1个时间步的密度，为节点(i，j)
p
中水蒸气在第n个时间步的密度，∑(-a.jv)
nb
为孔节点(i，j)
p
中第一水蒸气在第n个时间步的第一净流入质通量，∑(a
·
sv)
nb
为孔节点(i，j)
p
中第二水蒸气在第n个时间步的第二净流入质通量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
、横向孔隙(i-1，j)
tx
、竖向孔隙(i，j)
ty
和竖向孔隙(i，j-1)
ty
的孔隙状态参数，δx为横向相邻孔节点的间距，δy为竖向相邻孔节点的间距，dv为水蒸气扩散系数，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
的控制体的左表面面积、横向孔隙(i-1，j)
tx
的控制体的右表面面积、竖向孔隙(i，j)
ty
的控制体的下表面面积和竖向孔隙(i，j-1)
ty
的控制体的上表面面积，hv为单位面积液态水蒸发量，ρ
vep
为饱和水蒸气密度。
[0149]
第三建立模块410，用于建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第二关系：
[0150][0151]
其中，为孔节点(i，j)
p
的水蒸气密度系数，的水蒸气密度系数，和分别为孔节点(i，j)
p
的左表面、右表面、下表面和上表面各自的水蒸气密度系数，和分别为孔节点(i-1，j)
p
、(i+1，j)
p
、(i，j-1)
p
和(i，j+1)
p
中水蒸气在第n+1个时间步的密度，为孔节点(i，j)
p
的水蒸气密度系数与孔节点(i，j)
p
中水蒸气在第n个时间步的密度之间的乘积。
[0152]
第四建立模块412，用于建立各个孔隙中液态水蒸发传质过程的以下第三关系：
[0153][0154][0155]
其中，ρw为液态水的密度，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n+1个时间步的体积，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的体积。
[0156]
第五建立模块414，用于建立各个孔隙中水分传质过程的以下第四关系：
[0157][0158][0159]
其中，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n+1个时间步的长度，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的传输质量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中水蒸气在第n个时间步的传输质量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的长度。
[0160]
第六建立模块416，用于将所述第一关系、所述第二关系、所述第三关系和所述第四关系组成所述传质数学模型。
[0161]
第七建立模块418，用于基于能量守恒定律，建立用于表征各个网格空间内传热过程的以下第五关系：
[0162][0163]
其中，ρ为网格空间内固体基质、液态水和水蒸气在第n个时间步的平均密度，c
p
为网格空间在第n个时间步的平均比热容，t为网格空间在第n个时间步的平均温度，λ为网格空间在第n个时间步的平均导热系数，s
γ
为网格空间在第n个时间步的相变潜热量变化率。
[0164]
第八建立模块420，用于将所述第五关系组成所述传热数学模型。
[0165]
上述第一求解模块404还可以用于：设置所述传质数学模型的第一初始条件和第一边界条件；其中，所述第一初始条件包括各个孔隙中液态水的密度和初始长度，所述第一边界条件是由气体扩散层与膜电极接触的表面、气体扩散层与阴极极板接触的表面和气体扩散层表征对称性的表面确定的；基于所述第一初始条件和所述第一边界条件，通过所述第四关系求解得到每个孔隙中液态水在每个时间步的长度；基于每个孔隙中液态水在当前时间步和下一个时间步的长度，通过所述第三关系求解得到每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量；基于每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量，通过所述第一关系求解得到每个孔节点中水蒸气在当前时间步的密度；基于每个孔节点中水蒸气在当前时间步的密度，通过所述第二关系求解得到每个孔节点中水蒸气在下一个时间步的密度；对于每个时间步，基于每个孔节点中水蒸气在该时间步的密度，通过所述第一关系求解得到每个孔节点中第一水蒸气在该时间步的第一净流入质通量；对于每个时间步，基于每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量，通过所述第三关系求解得到每个孔隙中液态水在当前时间步的净流出质通量。
[0166]
上述第二求解模块406还可以用于：设置所述传热数学模型的第二初始条件和第二边界条件；其中，所述第二初始条件包括气体扩散层的初始平均温度和阴极极板流道内热空气的温度，所述第二边界条件是由气体扩散层与膜电极接触的表面、气体扩散层与阴极极板接触的表面和气体扩散层表征对称性的表面确定的；基于所述第二初始条件和所述第二边界条件，通过所述第五关系迭代求解各个网格空间在每个时间步的相变潜热量变化率。
[0167]
本发明实施例所提供的燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置，其实现原理及产生的技术效果和前述燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
[0168]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
[0169]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0170]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0171]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发
明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法，其特征在于，所述方法包括：建立气体扩散层的孔隙网格物理模型；其中，所述孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙，所述孔隙包括横向孔隙和竖向孔隙，通过所述横向孔隙和所述竖向孔隙在同一平面交错成多个网格空间，每个网格空间由平行相邻的两个横向孔隙和平行相邻的两个竖向孔隙通过孔节点首尾相接而成，每个网格空间内填充有固体基质；通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；其中，所述质通量包括每个孔隙中液态水蒸发传输的净流出质通量、每个孔节点中由燃料电池阴极产生的第一水蒸气传输的第一净流入质通量和每个孔节点中由与其相连的孔隙中液态水蒸发产生的第二水蒸气传输的第二净流入质通量；通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立气体扩散层的孔隙网格物理模型的步骤包括：将每个孔隙、每个孔节点和每个网格空间内固体基质各自的控制体均设置为长方体，并确定各个控制体的尺寸。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定各个控制体的尺寸的步骤包括：基于预设的气体扩散层的厚度，确定各个孔节点的控制体的第一尺寸；其中，所述第一尺寸包括第一边长、第一表面面积和第一体积；基于预设的所述厚度、孔节点间距和各个孔隙的半径以及各个孔节点的控制体的第一边长，确定各个孔隙的控制体的第二尺寸；其中，所述第二尺寸包括第一宽度、第一长度、第二表面面积和第二体积；基于预设的所述厚度和孔节点间距以及各个孔隙的控制体的第一宽度，确定各个网格空间内固体基质的控制体的第三尺寸；其中，所述第三尺寸包括横向边长、竖向边长、第三表面面积和第三体积。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第一关系：建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第一关系：
其中，为孔节点(i，j)
p
的控制体的第一体积，为孔节点(i，j)
p
中水蒸气在第n+1个时间步的密度，为节点(i，j)
p
中水蒸气在第n个时间步的密度，∑(-a
·
j
v
)
nb
为孔节点(i，j)
p
中第一水蒸气在第n个时间步的第一净流入质通量，∑(a
·
s
v
)
nb
为孔节点(i，j)
p
中第二水蒸气在第n个时间步的第二净流入质通量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
、横向孔隙(i-1，j)
tx
、竖向孔隙(i，j)
ty
和竖向孔隙(i，j-1)
ty
的孔隙状态参数，δx为横向相邻孔节点的间距，δy为竖向相邻孔节点的间距，d
v
为水蒸气扩散系数，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
的控制体的左表面面积、横向孔隙(i-1，j)
tx
的控制体的右表面面积、竖向孔隙(i，j)
ty
的控制体的下表面面积和竖向孔隙(i，j-1)
ty
的控制体的上表面面积，h
v
为单位面积液态水蒸发量，ρ
vep
为饱和水蒸气密度；建立各个孔节点中水蒸气传质过程的以下第二关系：其中，为孔节点(i，j)
p
的水蒸气密度系数，的水蒸气密度系数，和分别为孔节点(i，j)
p
的左表面、右表面、下表面和上表面各自的水蒸气密度系数，和分别为孔节点(i-1，j)
p
、(i+1，j)
p
、(i，j-1)
p
和(i，j+1)
p
中水蒸气在第n+1个时间步的密度，为孔节点(i，j)
p
的水蒸气密度系数与孔节点(i，j)
p
中水蒸气在第n个时间步的密度之间的乘积；建立各个孔隙中液态水蒸发传质过程的以下第三关系：建立各个孔隙中液态水蒸发传质过程的以下第三关系：其中，ρ
w
为液态水的密度，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n+1个时间步的体积，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的体积；建立各个孔隙中水分传质过程的以下第四关系：建立各个孔隙中水分传质过程的以下第四关系：
其中，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n+1个时间步的长度，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的传输质量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中水蒸气在第n个时间步的传输质量，和分别为横向孔隙(i，j)
tx
和竖向孔隙(i，j)
ty
中液态水在第n个时间步的长度；将所述第一关系、所述第二关系、所述第三关系和所述第四关系组成所述传质数学模型。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于能量守恒定律，建立用于表征各个网格空间内传热过程的以下第五关系：其中，ρ为网格空间内固体基质、液态水和水蒸气在第n个时间步的平均密度，c
p
为网格空间在第n个时间步的平均比热容，t为网格空间在第n个时间步的平均温度，λ为网格空间在第n个时间步的平均导热系数，s
γ
为网格空间在第n个时间步的相变潜热量变化率；将所述第五关系组成所述传热数学模型。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量的步骤包括：设置所述传质数学模型的第一初始条件和第一边界条件；其中，所述第一初始条件包括各个孔隙中液态水的密度和初始长度，所述第一边界条件是由气体扩散层与膜电极接触的表面、气体扩散层与阴极极板接触的表面和气体扩散层表征对称性的表面确定的；基于所述第一初始条件和所述第一边界条件，通过所述第四关系求解得到每个孔隙中液态水在每个时间步的长度；基于每个孔隙中液态水在当前时间步和下一个时间步的长度，通过所述第三关系求解得到每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量；基于每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量，通过所述第一关系求解得到每个孔节点中水蒸气在当前时间步的密度；基于每个孔节点中水蒸气在当前时间步的密度，通过所述第二关系求解得到每个孔节点中水蒸气在下一个时间步的密度；对于每个时间步，基于每个孔节点中水蒸气在该时间步的密度，通过所述第一关系求解得到每个孔节点中第一水蒸气在该时间步的第一净流入质通量；对于每个时间步，基于每个孔节点中第二水蒸气在当前时间步的第二净流入质通量，通过所述第三关系求解得到每个孔隙中液态水在当前时间步的净流出质通量。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量的步骤包括：设置所述传热数学模型的第二初始条件和第二边界条件；其中，所述第二初始条件包括气体扩散层的初始平均温度和阴极极板流道内热空气的温度，所述第二边界条件是由气体扩散层与膜电极接触的表面、气体扩散层与阴极极板接触的表面和气体扩散层表征对称
性的表面确定的；基于所述第二初始条件和所述第二边界条件，通过所述第五关系迭代求解各个网格空间在每个时间步的相变潜热量变化率。8.一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真装置，其特征在于，所述装置包括：第一建立模块，用于建立气体扩散层的孔隙网格物理模型；其中，所述孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙，所述孔隙包括横向孔隙和竖向孔隙，通过所述横向孔隙和所述竖向孔隙在同一平面交错成多个网格空间，每个网格空间由平行相邻的两个横向孔隙和平行相邻的两个竖向孔隙通过孔节点首尾相接而成，每个网格空间内填充有固体基质；第一求解模块，用于通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；其中，所述质通量包括每个孔隙中液态水蒸发传输的净流出质通量、每个孔节点中由燃料电池阴极产生的第一水蒸气传输的第一净流入质通量和每个孔节点中由与其相连的孔隙中液态水蒸发产生的第二水蒸气传输的第二净流入质通量；第二求解模块，用于通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一建立模块还用于：将每个孔隙、每个孔节点和每个网格空间内固体基质各自的控制体均设置为长方体，并确定各个控制体的尺寸。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一建立模块还用于：基于预设的气体扩散层的厚度，确定各个孔节点的控制体的第一尺寸；其中，所述第一尺寸包括第一边长、第一表面面积和第一体积；基于预设的所述厚度、孔节点间距和各个孔隙的半径以及各个孔节点的控制体的第一边长，确定各个孔隙的控制体的第二尺寸；其中，所述第二尺寸包括第一宽度、第一长度、第二表面面积和第二体积；基于预设的所述厚度和孔节点间距以及各个孔隙的控制体的第一宽度，确定各个网格空间内固体基质的控制体的第三尺寸；其中，所述第三尺寸包括横向边长、竖向边长、第三表面面积和第三体积。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池阴极气体扩散层水分传递过程仿真方法及装置，根据气体扩散层的孔隙率建立气体扩散层的孔隙网格物理模型，孔隙网格物理模型包括固体基质、孔节点和孔隙；通过预先建立的气体扩散层的传质数学模型按照预设时间步数迭代求解每个孔节点和每个孔隙中水分传输的质通量；通过预先建立的气体扩散层的传热数学模型按照预设时间步数迭代求解各个网格空间内水蒸气与液态水相互转化的相变潜热量。采用本发明可以为燃料电池的水热管理和气体扩散层设计提供全面、准确的参考依据。考依据。考依据。


技术研发人员：马孝楠 谢庄佑 范芃佐 谷豪飞
受保护的技术使用者：苏州中车氢能动力技术有限公司
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/13