耦合水气-液相变传热、氧传输及动态反应的燃料电池阴极孔隙尺度模拟方法、介质及系统

本发明属于燃料电池，具体涉及一种耦合水气-液相变传热、氧传输及动态反应的燃料电池阴极孔隙尺度模拟方法、介质及系统。

背景技术：

1、燃料电池因具有清洁性、高效率等优势，被广泛认为是未来交通运输领域极具应用前景的新型能源装置。然而，燃料电池实现大规模商业化应用仍面临诸多挑战，其中核心问题之一在于进一步提升其功率密度。限制燃料电池性能提升的关键因素主要集中于阴极的水管理与热管理。水的存在对于维持质子交换膜的良好水化状态至关重要，但过量液态水会显著阻碍多孔电极内氧气的传输，进而引发严重积水现象，降低电池反应性能。与此同时，电池运行温度也需要控制在合理范围内，以保证其稳定性与高效性。由于水在热质传输过程中既是重要的物质载体，也是关键的热量载体，其气-液相态变化、相变潜热效应与热传输行为之间存在显著耦合作用。因此，研究燃料电池阴极内水气-液相变传输、氧传输、热传输与动态电化学反应之间的微观耦合机制，对于调控燃料电池水热平衡、改善反应传输过程及提升电池性能具有重要意义。

2、然而，现有孔隙尺度模拟方法在求解燃料电池阴极复杂多物理场耦合问题仍存在明显不足。一方面，燃料电池内部具有复杂的孔隙几何结构、组分分布及多相界面特征，现有方法难以同时准确表征复杂流-固界面的共轭传热、传质及水气液相变对氧传输的阻碍效应。与此同时，水的气-液相变状态动态演化与局部温度、压力变化密切相关，其相变潜热对传热过程具有重要影响，而现有孔隙尺度模拟方法往往忽略了这些效应。此外，复杂孔隙结构内水流动、氧扩散、传热及动态反应之间存在显著耦合关系，而现有方法在多物理场耦合求解方面仍存在不足，因而难以系统揭示微观结构变化对反应传输特征及实际性能的影响机制。如cn119476118a公开的一种燃料电池扩散层的介尺度模拟方法中建立了扩散层内考虑电化学反应的水、氧和热耦合传输的介尺度模拟框架，但该方案未考虑水的气-液相变及潜热效应对反应传输行为的影响，并忽略了水分布对氧传输的影响，使得该方法所得结果容易出现偏离真实物理过程的局部热累积和氧传输特征，从而降低对燃料电池实际多物理场耦合传输过程的表征精度。又如，cn115906700a公开了一种用于气体扩散层的模拟方法、系统、设备及介质，该方案虽然能够获得燃料电池内水蒸气相关数据，但未进一步考虑复杂孔隙结构中流-固表面间的共轭传热过程，也未引入水气-液相变行为对热质传输过程的耦合作用，更多停留于对燃料电池宏观参数变化的统计分析，因而难以有效揭示燃料电池内部多组分反应传输过程的微观耦合机制。以及如，cn121809257a公开了一种燃料电池催化层内热-质-反应动态耦合的介尺度模拟方法、介质及系统，该方法考虑了催化层内纳米尺度下氧-热耦合传输过程，但是忽略了水生成过程对氧和热量传输的影响，尤其在实际过程中水的液态形式会堵塞氧的有效传输路径，而气态水传输过程也会影响孔隙内氧的扩散能力，因此该方法在预测实际燃料电池内多组分反应传输过程存在显著偏差。由于在孔隙尺度研究中，需要考虑复杂多孔结构内的水传输及气-液相变过程、流-固间共轭传热、复杂相界面演化与传输差异以及动态反应过程，这些因素之间相互作用并共同影响燃料电池整体反应性能，而不同过程之间耦合难度较高，因此实现对该类问题的有效模拟仍具有显著挑战。

3、目前，针对燃料电池阴极内耦合水气-液相变传热、氧传输及动态电化学反应的多物理场孔隙尺度模拟，仍存在以下技术难题：（1）燃料电池阴极具有复杂的孔隙结构特征、组分分布特征及多相界面传输差异，现有模型通常难以同时兼顾复杂流-固界面的共轭传热及反应传输过程，以及水和氧之间的传输阻碍效应，导致对多组分复杂边界的反应传输过程描述不够准确。（2）燃料电池阴极内水的气-液相变行为与局部温度、压力变化密切相关，同时气化潜热对传热过程具有重要影响。现有模拟方法对水气-液状态动态演化及潜热效应的表征仍不充分，尚难以准确揭示燃料电池内部真实水热耦合效应及其微观机制。（3）燃料电池阴极复杂孔隙结构内的水流动、氧扩散、传热及动态反应之间存在显著的耦合关系和反馈机制。现有模型在多物理场耦合求解及信息交互方面仍存在不足，难以系统揭示燃料电池阴极微观结构变化对多物理场反应传输特征及实际性能的影响规律。

4、因此，亟需构建一种能够表征燃料电池阴极内部真实结构特征，并可耦合水气-液相变传热、氧传输及动态反应的孔隙尺度模拟方法，以实现对燃料电池阴极内多物理场耦合过程及其微观机制的准确描述。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种耦合水气-液相变传热、氧传输及动态反应的燃料电池阴极孔隙尺度模拟方法、介质及系统，以解决现有技术中难以表征燃料电池阴极真实结构内部的多组分反应传输：同时兼顾复杂流-固界面的共轭传热及反应传输过程以及水和氧之间的传输阻碍效应、对水气-液状态动态演化及潜热效应的表征仍不充分的问题。本方案能够有效求解燃料电池阴极复杂孔隙结构内水气-液相变传热、氧传输及动态反应之间的相互作用及其微观机制。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种耦合水气-液相变传热、氧传输及动态反应的燃料电池阴极孔隙尺度模拟方法，包括如下步骤：

4、步骤1、采用随机算法构建扩散层结构并生成与扩散层相匹配的气体流动层、微孔层和催化层，形成燃料电池阴极整体结构；将燃料电池阴极整体结构二值化并等比例映射，构建计算域；

5、步骤2、根据步骤1构建的计算域设置初始条件和边界条件；其中，初始条件包括反应参数、物性参数、宏观参数以及计算得到的动态反应速率，边界条件为：计算域顶部设置为恒定氧浓度边界、恒定温度边界以及水流动的无滑移反弹边界条件，计算域底部设置为动态反应边界，计算域的左、右边界设置为周期性边界；计算域内的流-固体边界在计算水流动和氧扩散过程中设置为无滑移反弹边界，在计算传热过程中设置为共轭传热边界；

6、步骤3、根据步骤2设置的初始条件构建目标工况下水的离散速度分布函数及平衡态速度分布函数，随后利用演化方程对计算域内所有格子点进行碰撞和迁移计算更新各个格子点的离散速度分布函数；

7、步骤4、根据步骤3的结果，更新各个格子点的水的宏观密度、宏观速度和宏观压力；

8、步骤5、根据步骤4的结果，更新所有格子点的粘度、比热容和热导率；

9、步骤6、将步骤2、步骤4以及步骤5的结果分别带入温度演化方程，对计算域内所有格子点进行碰撞和迁移计算更新各个格子点的宏观温度；

10、步骤7、基于步骤4计算的水的宏观密度确定新的有效扩散区域；根据步骤2设置的初始条件构建目标工况下氧的离散浓度分布函数及平衡态浓度分布函数，随后利用演化方程对所有格子点进行碰撞和迁移计算更新各个格子点的离散浓度分布函数；

11、步骤8、根据步骤7的结果，计算更新各个格子点的氧的宏观浓度；

12、步骤9、将步骤6及步骤8的结果代入步骤2以更新动态反应速率，重复步骤2至步骤8进行迭代；当迭代得到的宏观速度变化幅度不超过设定阈值时，判定达到稳定状态，终止迭代。

13、优选的，步骤2中：

14、所述的动态反应速率包括：水生成速率、氧消耗速率以及热生成速率；

15、其中：氧消耗速率根据氧反应通量计算得到，水生成速率根据水反应通量计算得到，热生成速率根据氧消耗速率计算得到。

16、优选的，步骤3中：

17、确定初始的离散速度分布函数：

18、；

19、平衡态速度分布函数为：

20、；

21、式中：

22、表示第个离散速度方向对应的权重因子，且所有权重因子的总和为1；

23、表示水的宏观密度；

24、表示宏观速度；

25、表示离散速度的空间矢量分布，且的模为1；

26、，表示格子速度，根据实际声速进行转换；

27、演化方程为：

28、；

29、式中：

30、为碰撞松弛项，用于描述分布函数在局部碰撞作用下由非平衡态向平衡态的松弛过程；

31、表示时间步长；

32、表示不同组分的离散力项；

33、表示离散反应源项；

34、表示离散附加项；

35、；

36、为单位矩阵，是对角矩阵（其中包括的内容是模型的松弛量）。

37、在整个计算模型中，初始的离散速度分布函数由平衡态速度分布函数计算得到；随着时间的演化，通过不断计算新的平衡态速度分布函数带入到演化方程中来更新不同格子点对应的，并且基于更新后的进一步计算出宏观密度和宏观速度，再通过更新后的宏观速度和宏观密度计算新的平衡态速度分布函数，如此迭代运算。因此按照这个逻辑只在初始通过平衡态分布函数计算出对应初始的离散速度分布函数，后续的离散速度分布函数则根据演化方程不断更新迭代计算。

38、优选的，步骤4中：

39、水的宏观密度为：

40、；

41、宏观速度为：

42、；

43、式中：

44、表示水的离散速度分布函数；

45、表示水的宏观密度；

46、表示离散速度的空间矢量分布，且的模为1；

47、表示时间步长；

48、表示力项矢量；

49、当格子点为流体区域时，则宏观压力根据宏观密度和温度利用状态方程计算得到；

50、当格子点为固体区域时，则宏观压力。

51、优选的，步骤5中：

52、当格子点为流体区域时，则：

53、粘度为：

54、；

55、比热容为：

56、；

57、热导率为：

58、；

59、式中：

60、表示饱和状态下的气相水的密度，表示饱和状态下的液相水的密度；

61、表示饱和状态下的气相水的粘度，表示饱和状态下的液相水的粘度；

62、表示饱和状态下的气相水的比热容，表示为饱和状态下的液相水的比热容；

63、表示饱和状态下的气相水的热导率，表示饱和状态下的液相水的热导率；

64、当格子点为固体区域时，则密度、比热容和热导率为固定值。

65、优选的，步骤6中：

66、温度演化方程为：

67、；

68、式中：

69、表示温度演化算子；

70、当格子点为流体区域时，则温度演化算子同时考虑对流项、导热项、控制汽化潜热的体积功项以及反应源项；

71、当格子点为固体区域时，则温度演化算子仅考虑导热项；

72、采用四阶龙格-库塔方法计算更新各个格子点的宏观温度。

73、优选的，步骤7中：

74、平衡态浓度分布函数为：

75、；

76、式中：

77、表示第个离散浓度方向的权重因子，且所有权重因子的总和为1；

78、表示氧的浓度；

79、演化方程为：

80、；

81、式中：

82、表示时间步长；

83、表示氧消耗速率；

84、表示弛豫时间。

85、优选的，步骤8中：

86、氧的宏观浓度为：

87、；

88、式中：

89、表示氧的离散浓度分布函数。

90、本发明第二方面公开了一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述的一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任一项中所述的燃料电池阴极孔隙尺度模拟方法的步骤。

91、本发明第三方面公开了一种燃料电池阴极孔隙尺度模拟系统，包括处理器以及可执行指令的存储器，所述的处理器执行所述的指令时实现如上任一项中所述的燃料电池阴极孔隙尺度模拟方法的步骤。

92、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

93、1、本方法采用随机算法构建具有真实结构特征的扩散层，并结合简化的气体流动层、微孔层和催化层，有效形成燃料电池阴极整体结构。随后结合流-固共轭传热边界、无滑移反弹传输边界以及水分布对氧传输阻碍效应的表征方法，能够有效识别燃料电池阴极不同组分间复杂边界的反应传输行为，从而显著提高该模拟方法对燃料电池阴极内部多组分复杂边界问题的模拟精度与适用范围。

94、2、本方法引入状态方程，将水的气-液相变过程与局部温度和压力变化相关联，实现了不同工况下水气-液状态的动态演化，并进一步考虑水汽化潜热效应对传热过程的影响，从而能够更加真实地揭示燃料电池阴极内部水热耦合效应及其微观作用机制。

95、3、本方法将燃料电池阴极复杂孔隙结构内的水流动过程、氧扩散过程、传热过程及动态反应过程有效耦合，实现了在孔隙尺度下对多物理场间的信息交互与反馈。通过调控不同参数，可直观表征燃料电池微观结构变化对多物理场反应传输特性的影响规律和对实际反应性能的作用机制，从而为燃料电池阴极结构优化设计提高反应性能提供重要支撑。