[发明专利]基于OpenFOAM平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法

说明书

本发明提供了一种基于OpenFOAM平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，包括：步骤一，首先建立燃料电池双极板三维模型，并采用snappyHexMesh网格划分处理器划分双极板的网格；步骤二，修改字典文件设置扩散层、催化层以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分；步骤三，利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数；步骤四，通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取物理参数的值；步骤五，使用ParaView对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟，或正常启动状态下的温度场和浓度场的数值模拟。本发明的方法中的数值仿真模型可以根据要求任意设置双极板的形状尺寸并自动生成网格，成本更低，灵活性更大。

技术领域

本发明属于数值模拟技术领域，涉及计算流体动力学、数值传热学、电化学、物理仿真技术，具体涉及基于OpenFOAM平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法。

背景技术

随着碳达峰碳中和目标的提出，基于氢的质子交换膜燃料电池广泛受到人们的关注。相比于传统化石燃料能源转换装置，质子交换膜燃料电池产物无污染，同时高效产生电、热，运行时无噪音。目前，氢质子交换膜燃料电池已经应用于汽车、建筑、航天航空等领域。随着相关技术的进一步发展，预计在未来氢燃料电池数量将会更多，应用场景将更广泛。

氢燃料电池运行过程中，并不一直处于稳态运行状态。燃料电池启动、负荷变化、有害气体进入都会导致其不能始终处于稳态运行工况，使其内部场发生变化，甚至会对燃料电池产生破坏。燃料电池冷启动会制约燃料电池的利用，由于温度较低，会导致燃料电池停机，甚至对其内部结构产生破坏。因此，研究燃料电池冷启动情况下其结冰位置、各参数对其功率的影响是很有必要的。

由于实验手段的局限，常常只能选择燃料电池中一两个测点进行测量，不能全面反映燃料电池内部的变化，因此运用计算流体力学进行仿真模拟成为了一种研究燃料电池瞬态变化过程的重要方法。传统的方法以国外的商业Fluent，COSMAL等软件为主，然而一方面这些软件的内部代码并不公开，使得用户无法根据自己需求自由修改代码，另一方面，用户需要缴纳一定的版权费进行使用，同时在美国不断扩大其实体清单，难以确定未来是否还能够安全地使用商业软件。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供了一种基于penFOAM平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，解决现有技术中的商业软件开源性不足导致数值模拟过程中存在诸多不便的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于OpenFOAM平台质子交换膜氢燃料电池瞬态工况数值模拟方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，首先建立燃料电池双极板三维模型，并采用OpenFOAM平台中的snappyHexMesh网格划分处理器划分双极板的网格；

步骤二，修改字典文件设置扩散层、催化层以及膜的位置，并通过自动化处理脚本进行区域设置以及网格划分；

步骤三，利用字典文件设置燃料电池中初始物理参数；

步骤四，通过求解器对燃料电池启动过程进行迭代求解，获取物理参数的值；

步骤五，使用OpenFOAM平台中的ParaView对仿真结果进行可视化处理，得到燃料电池冷启动结冰过程的数值模拟，或正常启动状态下的温度场和浓度场的数值模拟。

本发明还具有如下技术特征：

步骤三中，所述的初始物理参数包括流速、温度、膜态水含量和压力；

步骤四中，所述的物理参数包括电压、电流、温度和流场流速变化。