一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池因其清洁、高效的特点，为船舶能源领域长期以来难以解决的高污染、高油耗问题提供了可期的技术解决方案。然而，在海上航行过程中，由于海洋风浪流的影响以及船用设备之间的振动传递，使得船舶会产生持续不断的剧烈振动，而长期剧烈振动将会对燃料电池的气密性造成极大影响，使其内部传热传质发生剧变，消耗率变大，导致气体含量不足，最终导致反极现象的产生。甚至燃料电池的相关组件也会出现损坏，使气密性遭到破坏，氢气泄漏。
3.振动测试是衡量燃料电池系统安全性、可靠性和耐久性的重要测试手段，通过合理的振动测试与分析能够有效的支持产品的结构优化保障稳定的性能输出。


技术实现要素：

4.为了更好的研究船舶航行过程中振动对燃料电池所造成的影响，本发明提出了一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，包括步骤：
5.s1：根据燃料电池中各组件间的结构关系构建燃料电池的三维模型，并对三维模型进行网格化处理；
6.s2：获取各振动工况下船舶的振动数据，并对振动数据进行重构简化作为振动仿真工况；
7.s3：以流体仿真的形式将振动仿真工况加载入三维模型，并基于质量守恒和动量守恒获取各网格处的电压；
8.s4：根据各网格处电压的平均值获取燃料电池当前振动工况下的动态输出电压；
9.s5：根据动态输出电压的电压特征值，通过最小二乘法获取各振动工况下电压特征值与振动仿真工况的关系曲线。
10.进一步地，所述s1步骤中，根据目标组件的测算精度要求进行网格密度的设置。
11.进一步地，所述s2步骤中，依据傅里叶变换对振动数据进行重构简化。
12.进一步地，所述s3步骤中，所述质量守恒可表示为如下第一公式：
[0013][0014]
式中，ε为燃料电池内部多孔介质层的孔隙率，ρg为燃料电池内反应介质的密度，t为时间，为网格处反应介质的流动速度。
[0015]
进一步地，所述动量守恒可表示为第二公式：
[0016][0017]
式中，p为网格处的压力，μ为燃料电池内的流体动力粘度，为瞬态项，为对流项，为压力项，为扩散项，sm为源项。
[0018]
进一步地，所述动态输出电压可由如下公式带入第一公式和第二公式求解获得：
[0019][0020]
f(ay,fy,t)为振动荷载；y为垂直于燃料电池内电池堆的方向，ay为y方向上的振幅，fy为y方向上的振动频率，为y方向上的向量符号,加载振动仿真工况下sm为振动荷载。
[0021]
进一步地，所述s5步骤,电压特征值可表示为如下公式：
[0022][0023]
式中，v
out
为电压特征值，t为震动周期，n为一个振动周期内的采样次数，i为初始为1的常数，ti为振动周期内的第i次采样时的采样时间点，v(t)为t时间点的动态输出电压。
[0024]
进一步地，所述燃料电池的组件包括配对设置的双极板和气体扩散层、质子交换膜和密封件，所述双极板上设有介质流场和介质入口。
[0025]
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
[0026]
(1)本发明所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，通过模拟仿真可以极大的节省人力物力，并通过性能评估对燃料电池的设计提供针对性建议，降低部分振动工况对燃料电池的性能影响；
[0027]
(2)对燃料电池在实船上的应用提供控制理论依据，减少高危害振动工况对燃料电池的性能影响；
[0028]
(3)通过对任意振动荷载的仿真，得出电池内部的传热传质规律，从而更好的了解其对外输出性能。
附图说明
[0029]
图1为一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法的方法步骤图；
[0030]
图2为燃料电池的组件构成示意图；
[0031]
图3为不同振动频率下动态输出电压随时间变化的关系图；
[0032]
图4为振动仿真工况与电压特征值的关系曲线；
[0033]
附图标记说明：1-双极板、2-密封圈、3-gdl、4-质子交换膜
具体实施方式
[0034]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0035]
实施例一
[0036]
如图2所示，燃料电池的组件一般包括两个双极板(阳极、阴极)、两个 gdl(介质扩散层)、mea(质子交换膜)和密封件(各组件间叠加组合，保证组件间没有间隙，使介质流通过程中与组件的接触是连续的)，其中双极板需要添加介质入口和介质流场(包括平行流场、点状流场、交指形流场和蛇形流场等，可以根据实际需要进行选择)。在本实施例中，两个双极板的入口分别用来接入氢气、空气这两种介质。
[0037]
在船舶航行过程中，由于风浪以及船舶自身运转造成的振动，都会经由船体传导至燃料电池上，这也就导致气体介质在输入燃料电池中后，在燃料电池中存在介质由于振动工况以非固定方向流动的可能性，从而使燃料电池内出现不同地方的介质流通速度以及方向均存在差别的情况。同时，振动状态下的气体介质也会施加压力于各组件上，尤其是介质扩散层，由于其多孔(用以使介质间反应更充分)的结构特性，气体介质不同的流通方向和速度极大影响了其在燃料电池内部扩散以及反应的速度，也就影响了燃料电池的整体供电性能。同时，由于振动方向存在突变性，在燃料电池内部，气体也极易产生对流，这进一步增加振动对燃料电池内部气体反应速度的影响。
[0038]
因此为了使燃料电池正式实装于船舶后，在船舶航行过程中避免由于缺乏针对性设计，导致燃料电池因某些振动工况造成供电性能的下降，需要在设计之初就对不同振动工况下的供电性能进行测试，以便充分了解不同振动工况对于燃料电池性能的影响，以便后续对其进行针对性改进和规避，因此，本发明提出了一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，如图1所示，包括步骤：
[0039]
s1：根据燃料电池中各组件间的结构关系构建燃料电池的三维模型，并对三维模型进行网格化处理；
[0040]
s2：获取各振动工况下船舶的振动数据，并对振动数据进行重构简化作为振动仿真工况；
[0041]
s3：以流体仿真的形式将振动仿真工况加载入三维模型，并基于质量守恒和动量守恒获取各网格处的电压；
[0042]
s4：根据各网格处电压的平均值获取燃料电池当前振动工况下的动态输出电压；
[0043]
s5：根据动态输出电压的电压特征值，通过最小二乘法获取各振动工况下电压特征值与振动仿真工况的关系曲线。
[0044]
本实施例中，在测试之初，先根据待测燃料电池的机械结构特征，利用 solidworks等3d绘图软件创建燃料电池各组件的三维模型并进行组合。而后，将组合后的三维模型导入icem(计算流体动力学)软件内，进行界面网格的划分。需要注意的是，由于部分组件或组件位置对于测算精度的要求较高，因此，根据不同的精度需求，需对不同组件部分进行不同的网格密度划分(具体根据实际要求进行设置，此处不再说明)。通过对高精度要求的组件部分进行高密度网格划分，对低精度要求的组件部分进行低密度网格划分，从而在保证计算精度的前提下提高分析效率。
[0045]
在构建完燃料电池的三维网格模型后，就需要结合船舶实际航行过程中所能碰到的各类振动工况进行研究分析。然而，由于实船研究受限于船舶场地、振动工况持续时间以及出现频次的不确定性，同时需要耗费极大的人力与财力，因此本发明选用对实船振动数据进行采集，再通过实验室计算机进行模型模拟的方式进行燃料电池不同振动工况下的性能测算。
[0046]
需要注意的是，对于实船采集到的振动数据，需要先根据傅里叶变换对其进行重构简化，从而符合燃料电池在船舶上的受振情况。同时，还需在icem 软件中设置燃料电池各组件的材料属性、组件之间接触面的接触方式以及边界条件的设置。由于是为了探求船舶振动条件下的电池输出特性，以及内部传热传质规律，边界条件主要是根据实船工况下测到振动参数进行设置，其它设置则依据相关实验参数进行设置。
[0047]
而后，基于质量守恒(如下第一公式所示)，
[0048][0049]
式中，ε为燃料电池内部多孔介质层的孔隙率，ρg为燃料电池内反应介质的密度，t为时间，为网格处反应介质的流动速度，sm为源项(即外力项)。
[0050]
以及，基于动量守恒(如下第二公式所示)，
[0051][0052]
式中，p为网格处的压力，μ为燃料电池内的流体动力粘度，为瞬态项(瞬态的动量)，为对流项(对流引起的动量)，为压力项(压力引起的动量)，为扩散项(扩散引起的动量)。
[0053]
同时，由于在加载仿真振动工况后，源项转变为振动荷载，而振动荷载可表示为如下公式：
[0054][0055]
f(ay,fy,t)为振动荷载；y为垂直于燃料电池内电池堆的方向，ay为y方向上的振幅，fy为y方向上的振动频率，为y方向上的向量符号。
[0056]
从上述公式不难看出，基于动量守恒和质量守恒，通过将加载了振动仿真工况后源项的变式带入，通过转换后的公式利用icem软件进行流体仿真，即可根据各网格处的压力、介质流动速度、振幅和振动频率等数据获取该网格处的电压(基于膜相电阻、固相电阻(这两个电阻取决于欧姆极化、浓差极化和活化极化)，通过电荷守恒定律进行求解)。
[0057]
基于各个网格处的电压数据，燃料电池整体的动态输出电压可根据双极板间各网格处电压进行均值求解获得。在一优选实施例中，通过流体动力学计算模拟，得到不同振动频率下，动态输出电压随时间变化的关系如图3所示。
[0058]
而后，根据动态输出电压，通过如下公式获取其电压特征值，
[0059][0060]
式中，v
out
为电压特征值，t为震动周期，n为一个振动周期内的采样次数，i为初始为1的常数，ti为振动周期内的第i次采样时的采样时间点，v(t)为 t时间点的动态输出电压。
[0061]
重复上述步骤，进行各个振动工况下电压特征值的获取，而后通过最小二乘法得到振动仿真工况与电压特征值的关系曲线。在一优选实施例中，该关系曲线如图4所示，从图中可以看出，当振幅不变时，电压特征值随频率升高呈二次下降的关系。
[0062]
根据获得关系曲线以及不同网格处对不同振动工况的电压输出情况，即可针对性的对异常输出部分的组件结构进行改进，或者在船舶实际航行过程中，减少特定高影响振动工况对燃料电池的性能影响。
[0063]
综上所述，本发明所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，通过模拟仿真可以极大的节省人力物力，并通过性能评估对燃料电池的设计提供针对性建议，降低部分振动工况对燃料电池的性能影响。
[0064]
对燃料电池在实船上的应用提供控制理论依据，减少高危害振动工况对燃料电池的性能影响；通过对任意振动荷载的仿真，得出电池内部的传热传质规律，从而更好的了解其对外输出性能。
[0065]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0066]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0067]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0068]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，包括步骤：s 1：根据燃料电池中各组件间的结构关系构建燃料电池的三维模型，并对三维模型进行网格化处理；s2：获取各振动工况下船舶的振动数据，并对振动数据进行重构简化作为振动仿真工况；s3：以流体仿真的形式将振动仿真工况加载入三维模型，并基于质量守恒和动量守恒获取各网格处的电压；s4：根据各网格处电压的平均值获取燃料电池当前振动工况下的动态输出电压；s5：根据动态输出电压的电压特征值，通过最小二乘法获取各振动工况下电压特征值与振动仿真工况的关系曲线。2.如权利要求1所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述s1步骤中，根据目标组件的测算精度要求进行网格密度的设置。3.如权利要求1所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述s2步骤中，依据傅里叶变换对振动数据进行重构简化。4.如权利要求1所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述s3步骤中，所述质量守恒可表示为如下第一公式：式中，ε为燃料电池内部多孔介质层的孔隙率，ρ
g
为燃料电池内反应介质的密度，t为时间，为网格处反应介质的流动速度，s
m
为源项。5.如权利要求4所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述动量守恒可表示为第二公式：式中，p为网格处的压力，μ为燃料电池内的流体动力粘度，为瞬态项，为对流项，为压力项，为扩散项。6.如权利要求5所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述动态输出电压可由如下公式带入第一公式和第二公式求解获得：f(a
y
,f
y
,t)为振动荷载；y为垂直于燃料电池内电池堆的方向，a
y
为y方向上的振幅，f
y
为y方向上的振动频率，为y方向上的向量符号,加载振动仿真工况下s
m
为振动荷载。7.如权利要求1所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述s5步骤,电压特征值可表示为如下公式：
式中，v
out
为电压特征值，t为震动周期，n为一个振动周期内的采样次数，i为初始为1的常数，t
i
为振动周期内的第i次采样时的采样时间点，v(t)为t时间点的动态输出电压。8.如权利要求1所述的一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，其特征在于，所述燃料电池的组件包括配对设置的双极板和气体扩散层、质子交换膜和密封件，所述双极板上设有介质流场和介质入口。

技术总结
本发明公开了一种基于流体仿真的燃料电池振动性能测评方法，涉及燃料电池技术领域，主要包括步骤：根据燃料电池中各组件间的结构关系构建燃料电池的三维模型，并对三维模型进行网格化处理；获取各振动工况下船舶的振动数据，并对振动数据进行重构简化作为振动仿真工况；以流体仿真的形式将振动仿真工况加载入三维模型，并基于质量守恒和动量守恒获取各网格处的电压；根据各网格处电压的平均值获取燃料电池当前振动工况下的动态输出电压；根据动态输出电压的电压特征值，通过最小二乘法获取各振动工况下电压特征值与振动仿真工况的关系曲线。本发明通过通过性能评估对燃料电池的设计提供针对性建议，降低部分振动工况对燃料电池的性能影响。池的性能影响。池的性能影响。


技术研发人员：温小飞 邱阳 周胜男 陈泽滔 王虎强 朱丹丹 许克容 李江凡 王广哲 朱浩纲 孟文杰 童林海 聂钰明
受保护的技术使用者：浙江海洋大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8