一种氢燃料电池金属双极板流道结构设计方法与流程

本发明涉及计算机辅助设计与数据处理，具体涉及一种氢燃料电池金属双极板流道结构设计方法。

背景技术：

1、氢燃料电池中，极板的流道结构对于其输出性能和运行稳定性具有重要影响。当流道结构参数设计不合理时，容易引起反应气体供应不均、液态水积聚、应力分布不均等问题，进而导致氢燃料电池电堆的输出功率下降、性能一致性变差以及长期运行可靠性降低。

2、现有技术中，流道结构参数的优化通常依赖工程经验、单因素试验等优化方法。但是这些方法，难以有效反映多个流道结构参数之间的耦合作用。并且，不同参数对于各项性能指标的作用不同，上述仅考虑单个或部分参数的流道结构参数优化方法在面对包括压降、传质均匀性、水管理能力和电化学输出性能等多项性能指标优化时，难以获得较优的参数组合。采用有限元模型或多物理场仿真模型对流道结构参数进行寻优，在面对多参数多指标的优化问题时具有较好的效果，但是现有技术中采用有限元模型或多物理场仿真模型的优化方法，需要对于多个结构参数及其多个水平进行全组合遍历，仿真次数会随参数数量和水平数量呈指数级增长，导致计算周期长、计算成本高，在工程设计过程中难以实施。

技术实现思路

1、为了解决采用仿真模型的氢燃料电池流道结构优化方法计算周期长、成本高的技术问题，本发明的目的在于提供一种氢燃料电池金属双极板流道结构设计方法，所采用的技术方案具体如下：

2、本发明提供了一种氢燃料电池金属双极板流道结构设计方法，包括以下步骤：

3、（1）构建氢燃料电池的有限元模型；

4、（2）基于氢燃料电池金属双极板的各个流道参数的取值范围，确定各个流道参数各个水平的选定值，并将所有流道参数作为待优化流道参数；

5、（3）构建标准正交试验表；

6、（4）基于标准正交试验表中的每一行数据和各个待优化流道参数各个水平的选定值，生成一组流道参数数据；将每组流道参数数据，输入到氢燃料电池的有限元模型中，得到各组流道参数数据的仿真结果指标；基于各组流道参数数据的仿真结果指标，计算各组流道参数数据的氢燃料电池性能综合得分；

7、（5）基于各组流道参数数据的氢燃料电池性能综合得分，计算各个待优化流道参数的动态差异度；基于各个待优化流道参数的动态差异度，确定各个待优化流道参数是否优化完成，并对待优化流道参数各个水平的选定值进行优化更新；

8、（6）迭代执行步骤（4）和步骤（5），直至满足迭代终止条件，得到最优的流道参数组合。

9、在一些可能的实现方式中，计算各个待优化流道参数的动态差异度的方法包括：

10、对于任意一个待优化流道参数，计算该待优化流道参数的重要程度；

11、计算该待优化流道参数各个水平的重要程度，进而计算该待优化流道参数各个水平的重要程度的差异程度；

12、融合该待优化流道参数的重要程度和该待优化流道参数各个水平的重要程度的差异程度，得到该待优化流道参数的动态差异度。

13、在一些可能的实现方式中，计算该待优化流道参数的重要程度的方法包括：

14、计算该待优化流道参数各个水平的氢燃料电池性能综合得分均值，进而基于该待优化流道参数各个水平的氢燃料电池性能综合得分均值的差异程度，计算得到该待优化流道参数的重要程度。

15、在一些可能的实现方式中，计算该待优化流道参数各个水平的重要程度的方法包括：

16、计算该待优化流道参数为各个水平的各组流道参数数据的氢燃料电池性能综合得分的离散程度，得到该待优化流道参数各个水平的重要程度。

17、在一些可能的实现方式中，对待优化流道参数各个水平的选定值进行优化更新的方法包括：

18、对于任意一个待优化流道参数，计算该待优化流道参数各个水平的氢燃料电池性能综合得分均值；

19、基于该待优化流道参数各个水平的氢燃料电池性能综合得分均值，对该待优化流道参数的取值范围中点进行优化更新，

20、基于该待优化流道参数的动态差异度，对该待优化流道参数的取值范围宽度进行优化更新；

21、基于优化更新后的该待优化流道参数的取值范围中点和优化更新后的该待优化流道参数的取值范围宽度，确定优化更新后的该待优化流道参数的取值范围；

22、基于优化更新后的该待优化流道参数的取值范围，确定优化更新后的该待优化流道参数各个水平的选定值。

23、在一些可能的实现方式中，对该待优化流道参数的取值范围中点进行优化更新的方法包括：

24、基于该待优化流道参数各个水平的氢燃料电池性能综合得分均值，确定优化更新方向并计算更新步长，将该待优化流道参数的取值范围中点向优化更新方向移动更新步长，得到优化更新后的该待优化流道参数的取值范围中点。

25、在一些可能的实现方式中，对该待优化流道参数的取值范围宽度进行优化更新的方法包括：

26、融合该待优化流道参数的动态差异度和优化更新前的该待优化流道参数的取值范围宽度，得到优化更新后的该待优化流道参数的取值范围宽度。

27、在一些可能的实现方式中，计算各组流道参数数据的氢燃料电池性能综合得分的方法包括：

28、对于任意一组流道参数数据，计算各项仿真结果指标的评价得分，融合各项仿真结果指标的评价得分，得到该组流道参数数据的氢燃料电池性能综合得分；

29、计算各项仿真结果指标的评价得分的方法包括：

30、对于任意一项仿真结果指标，在氢燃料电池的有限元模型中的任意一个极板上，计算该仿真结果指标的各个时刻的空间离散程度，进而计算所述空间离散程度的分布水平；计算各个极板的所述分布水平的分布水平，并对其进行负相关映射得到该仿真结果指标的评价得分。

31、在一些可能的实现方式中，确定各个待优化流道参数是否优化完成的方法包括：

32、对于任意一个待优化流道参数，将该待优化流道参数的动态差异度与待优化阈值进行比较，若该待优化流道参数的动态差异度大于待优化阈值，则判定该待优化流道参数仍未优化完成，否则判定该待优化流道参数优化完成，并将该待优化流道参数作为固定流道参数，并确定固定流道参数的最优数值。

33、在一些可能的实现方式中，确定固定流道参数的最优数值的方法包括：

34、将该固定流道参数的取值范围的中点值作为该固定流道参数的最优数值。

35、本发明具有如下有益效果：本发明的氢燃料电池金属双极板流道结构设计方法，基于氢燃料电池金属双极板的各个流道参数的取值范围，将各个流道参数划分为不同的水平，并确定各个流道参数各个水平的选定值，基于正交试验表和各个流道参数各个水平的选定值生成一组流道参数数据，并输入到氢燃料电池的有限元模型中进行仿真模拟，基于仿真模拟结果中的各项仿真结果指标，计算氢燃料电池性能综合得分，以对该组流道参数数据的优劣进行评价，并基于氢燃料电池性能综合得分，对各个待优化流道参数各个水平的选定值进行更新，使其不断向最优取值逼近，直至完成优化。通过对各个待优化参数各个水平的选定值进行更新的方式，在面临多个流道参数构成的庞大且呈指数级增长的参数组合空间时，无需进行暴力的全遍历有限元仿真。通过调用标准正交试验表抽样代表性组合，用极少的仿真次数即可完成多参数联合评价，极大降低了计算资源消耗。