一种燃料电池堆流体流动分析建模方法及装置与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池堆流体流动分析建模方法及装置。


背景技术：

2.在燃料电池堆设计过程中，需要通过整堆流体流动(cfd)分析建模来分析优化整堆流量分配。而整堆结构中包括多个复杂的双极板模型，现有的建模方式中，由于存在网格数量过大，造成建模困难的技术问题。
3.因此，如何降低建模的难度是目前亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的燃料电池堆流体流动分析建模方法及装置。
5.第一方面，本发明提供了一种燃料电池堆流体流动分析建模方法，包括：
6.获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降；
7.制作对应于所述原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与所述第一冷却液总压压降相等；
8.基于所述等效空气极板、所述等效氢气极板以及所述等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型。
9.进一步地，所述获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降，包括：
10.采用流体动力学方法对所述燃料电池堆中任意一组原始双极板分析，获得所述燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降。
11.进一步地，所述制作对应于所述原始双极板的三组等效极板，所述三组等效双极板包括等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与所述第一冷却液总压压降相等，包括：
12.调整等效空气极板的截面面积、等效氢气极板的截面面积以及等效冷却液极板的截面面积，制作对应于所述原始双极板等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气
极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降和所述第一冷却液总压压降相等。
13.进一步地，所述调整等效空气极板的截面面积、等效氢气极板的截面面积以及等效冷却液极板的截面面积，制作对应于所述原始双极板等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与所述第一冷却液总压压降相等，包括：
14.将所述等效空气极板的截面面积的宽度、等效氢气极板的截面面积的宽度以及等效冷却液极板的截面面积的宽度均调小，制作对应于所述原始双极板等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与所述第一冷却液总压压降相等。
15.进一步地，所述等效空气极板、所述等效氢气极板以及等效冷却液极板均为中心对称结构。
16.进一步地，所述等效空气极板的高度、所述等效氢气极板的高度以及等效冷却液极板的高度均与所述原始双极板的高度相等。
17.进一步地，所述基于所述等效空气极板、所述等效氢气极板以及所述等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型，包括：
18.基于所述等效空气极板，得到所述每组原始双极板对应的等效空气极板；
19.将所述每组原始双极板对应的等效空气极板叠加装配，得到空气整堆流体流动分析模型；
20.基于所述等效氢气极板，得到所述每组原始双极板对应的等效氢气极板；
21.将所述每组原始双极板对应的等效氢气极板叠加装配，得到氢气整堆流体流动分析模型；
22.基于所述等效冷却液极板，得到所述每组原始双极板对应的等效冷却液极板；
23.将所述每组原始双极板对应的等效冷却液极板叠加装配，得到冷却液整堆流体流动分析模型。
24.第二方面，本发明还提供了一种燃料电池堆流体流动分析建模装置，包括：
25.获取模块，用于获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降；
26.制作模块，用于制作对应于所述原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得；
27.建模模块，用于基于所述等效空气极板、所述等效氢气极板以及所述等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型。
28.第三方面，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述述的方法步骤。
29.第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上法步骤。
30.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
31.本发明提供了一种燃料电池堆流体流动分析建模方法，该方法包括：获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降，制作对应于原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得等效空气极板的第二空气总压压降与第一空气总压压降相等，等效氢气极板的第二氢气总压压降与第一氢气总压压降相等，等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与第一冷却液总压压降相等；基于该等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型，通过将燃料电池堆中的双极板结构分成三种类型的等效极板，进而在建立整堆流体流动分析模型时，分别对三种类型的流道建立流体流动分析模型，解决了现有由于网格数量过大，使得建模困难的技术问题，采用本发明的技术方案能够有效降低建模的难度。
附图说明
32.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
33.图1示出了本发明实施例中燃料电池堆流体流动分析建模方法的步骤流程示意图；
34.图2示出了本发明实施例中原始双极板三维模型的结构示意图；
35.图3示出了本发明实施例中原始双极板中冷却液流道的的结构示意图；
36.图4示出了本发明实施例中等效冷却液极板的结构示意图；
37.图5示出了本发明实施例中叠加装配后的冷却液整堆流体流动分析模型的结构示意图；
38.图6示出了本发明实施例中燃料电池堆流体流动分析模型装置的结构示意图；
39.图7示出了本发明实施例中实现燃料电池堆流体流动分析建模方法的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
41.实施例一
42.本发明的实施例提供了一种燃料电池堆流体流动分析建模方法，如图1所示，包括：
43.s101，获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降；
44.s102，制作对应于原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得等效空气极板的第二空气总压压降与第一空气总压压降相等，等效氢气极板的第二氢气总压压降与第一氢气总压压降相等，等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与第一冷却液总压压降相等；
45.s103,基于等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型。
46.在s101中，具体是采用流体动力学方法对燃料电池堆中任意一组原始双极板分析，即常规的cfd方法进行分析，从而获得燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降。
47.由于所采用的流体动力学方法是现有的技术，在此并不作详细赘述。
48.接着，执行s102，制作对应于原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得等效空气极板的第二空气总压压降与第一空气总压压降相等，等效氢气极板的第二氢气总压压降与第一氢气总压压降相等，等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与第一冷却液总压压降相等。
49.在具体的实施方式中，由于原始双极板中包括三种流道，如图2所示，为原始双极板三维模型示意图，其中，包括空气进口、空气出口；氢气进口、氢气出口；冷却液进口、冷却液出口；还包括中间多条空气流道、氢气流道以及冷却液流道。
50.在制作对应于原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板时，具体是将原始双极板中的三种流道分开，将每种流道等效为一条流道，即一条空气流道、一条氢气流道以及一条冷却液流道。从而得到等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板。其中，该等效空气极板中有一条空气流道，等效氢气极板中有一条氢气流道，等效冷却液极板中有一条冷却液流道。
51.该等效空气极板的第二空气总压压降与原始双极板的第一空气总压压降相等；该等效氢气极板的第二氢气总压压降与原始双极板的第二氢气总压压降相等；该等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与原始双极板的第二冷却液总压压降相等。
52.该等效空气极板的第二空气总压压降、等效氢气极板的第二氢气总压压降、等效冷却液极板的第二冷却液总压压降均是采用流体动力学方法得到的，在此不再详述。
53.在一种可选的实施方式中，通过调整等效空气极板的截面面积、等效氢气极板的截面面积以及等效冷却液极板的截面面积，来制作对应于原始双极板等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，进而使得等效空气极板的第二空气总压压降与第一空气总压压降相等，等效氢气极板的第二氢气总压压降与第一氢气总压压降相等，等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与第一冷却液总压压降相等。
54.具体地，调整等效空气极板的截面面积，具体是将等效空气极板的截面面积的宽度调小，且长度不变；调整等效氢气极板的截面面积，具体是将等效氢气极板的截面面积的宽度调小，且长度不变；调整等效冷却液的截面面积，具体是将等效冷却液极板的截面面积的宽度调小，且长度不变，这样，通过宽度的调节，以保证第二空气总压压降与第一空气总压压降相等、第二氢气总压压降与第一氢气总压压降相等、第二冷却液总压压降与第一冷却液总压压降相等。
55.具体如图3所示，为单独的原始双极板中冷却液流道的示意图，通过调整流道的截
面面积，得到如图4所示，为等效冷却液极板，其中，包括：冷却液进口、冷却液出口以及中间流道，该中间流道的宽度w为经过调整之后的宽度。
56.在一种可选的实施方式中，该等效空气极板、等效氢气极板、等效冷却液极板均为中心对称结构。采用中心对称结构，从而降低不对称结构所造成的流量不均匀影响。
57.在一种可选的实施方式中，该等效空气极板的高度、等效氢气极板的高度、等效冷却液极板的高度均与原始双极板的高度相等。因双极板及膜电极高度很小，其中双极板高度0.8～1.5mm,膜电极高度常用微米表示，故未示出双极板及膜电极的高度，但示出了约150片双极板及膜电极安装后高度，具体如图5中的双极板及膜电极装配后高度h，图5中，因cfd建模未考虑膜电极，故未对膜电极建模，只考虑了膜电极装配的高度。由于等效空气极板的截面宽度减小，高度不变，同理，等效氢气极板的截面宽度减小，高度不变；以及等效冷却液极板的截面宽度减小，高度不变；则得到的燃料电池堆的三维模型的尺寸会整体缩小，使得等效极板网格数量相比原始双极板网络数量呈几何指数级减小，进而降低了建立整堆cfd模型的难度。
58.最后，执行s103，基于等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型。
59.在一种可选的实施方式中，基于等效空气极板，得到每组原始双极板对应的等效空气极板；将每组原始双极板对应的等效空气极板叠加装配，得到空气整堆流体流动分析模型；
60.基于等效氢气极板，得到每组原始双极板对应的等效氢气极板；将每组原始双极板对应的等效氢气极板叠加装配，得到氢气整堆流体流动分析模型；
61.基于等效冷却液极板，得到每组原始双极板对应的等效冷却液极板；将每组原始双极板对应的等效冷却液极板叠加装配，得到冷却液整堆流体流动分析模型。
62.由于燃料电池堆中每组原始双极板都是一样的，每组原始双极板的第一空气总压压降都相等，每组原始双极板的第一氢气总压压降都相等，每组原始双极板的第一冷却液总压压降都相等。
63.因此，在得到任意一组原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板之后，即可得到所有组原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板。
64.将所有组原始双极板所对应的等效空气极板叠加装配，即可得到空气整堆流体流动分析模型；将所有组原始双极板所对应的等效氢气极板叠加装配，即可得到氢气整堆流体流动分析模型；将所有组原始双极板所对应的等效冷却液极板叠加装配，即可得到冷却液整堆流体流动分析模型。
65.如图5所示，为叠加装配后的冷却液整堆流体流动分析模型，包括冷却液进口、冷却液出口以及中间的等效冷却液流道，如图5所示为三个堆都为等效冷却液极板叠加的情况。
66.由此得到的空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型，通过采用常规的cfd方法进行分析，从而得到整堆中极板流量、总压等参数，为整堆的开发提供参考。
67.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
68.本发明提供了一种燃料电池堆流体流动分析建模方法，该方法包括：获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降，制作对应于原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得等效空气极板的第二空气总压压降与第一空气总压压降相等，等效氢气极板的第二氢气总压压降与第一氢气总压压降相等，等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与第一冷却液总压压降相等；基于该等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型，通过将燃料电池堆中的双极板结构分成三种类型的等效极板，进而在建立整堆流体流动分析模型时，分别对三种类型的流道建立流体流动分析模型，解决了现有由于网格数量过大，使得建模困难的技术问题，采用本发明的技术方案能够有效降低建模的难度。
69.实施例二
70.基于相同的发明构思，本发明还提供了一种燃料电池堆流体流动分析建模装置，如图6所示，包括：
71.获取模块601，用于获取燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降；
72.制作模块602，用于制作对应于所述原始双极板的等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与所述第一冷却液总压压降相等；
73.建模模块603，用于基于所述等效空气极板、所述等效氢气极板以及所述等效冷却液极板，分别得到空气整堆流体流动分析模型、氢气整堆流体流动分析模型以及冷却液整堆流体流动分析模型。
74.在一种可选的实施方式中，获取模块601，用于采用流体动力学方法对所述燃料电池堆中任意一组原始双极板分析，获得所述燃料电池堆中任意一组原始双极板的第一空气总压压降、第一氢气总压压降以及第一冷却液总压压降。
75.在一种可选的实施方式中，制作模块602，用于调整等效空气极板的截面面积、等效氢气极板的截面面积以及等效冷却液极板的截面面积，制作对应于所述原始双极板等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降和所述第一冷却液总压压降相等。
76.在一种可选的实施方式中，制作模块602，用于将所述等效空气极板的截面面积的宽度、等效氢气极板的截面面积的宽度以及等效冷却液极板的截面面积的宽度均调小，制作对应于所述原始双极板等效空气极板、等效氢气极板以及等效冷却液极板，使得所述等效空气极板的第二空气总压压降与所述第一空气总压压降相等，所述等效氢气极板的第二氢气总压压降与所述第一氢气总压压降相等，所述等效冷却液极板的第二冷却液总压压降与所述第一冷却液总压压降相等。
77.在一种可选的实施方式中，所述等效空气极板、所述等效氢气极板以及等效冷却
液极板均为中心对称结构。
78.在一种可选的实施方式中，所述等效空气极板的高度、所述等效氢气极板的高度以及等效冷却液极板的高度均与所述原始双极板的高度相等。
79.在一种可选的实施方式中，建模模块603，包括：
80.第一得到单元，用于基于所述等效空气极板，得到所述每组原始双极板对应的等效空气极板；
81.第二得到单元，用于将所述每组原始双极板对应的等效空气极板叠加装配，得到空气整堆流体流动分析模型；
82.第三得到单元，用于基于所述等效氢气极板，得到所述每组原始双极板对应的等效氢气极板；
83.第四得到单元，用于将所述每组原始双极板对应的等效氢气极板叠加装配，得到氢气整堆流体流动分析模型；
84.第五得到单元，用于基于所述等效冷却液极板，得到所述每组原始双极板对应的等效冷却液极板；
85.第六得到单元，用于将所述每组原始双极板对应的等效冷却液极板叠加装配，得到冷却液整堆流体流动分析模型。
86.实施例三
87.基于相同的发明构思，本发明实施例提供了一种计算机设备，如图7所示，包括存储器704、处理器702及存储在存储器704上并可在处理器702上运行的计算机程序，所述处理器702执行所述程序时实现上述燃料电池堆流体流动分析建模方法的步骤。
88.其中，在图7中，总线架构(用总线700来代表)，总线700可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线700将包括由处理器702代表的一个或多个处理器和存储器704代表的存储器的各种电路链接在一起。总线700还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口706在总线700和接收器701和发送器703之间提供接口。接收器701和发送器703可以是同一个元件，即收发机，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。处理器702负责管理总线700和通常的处理，而存储器704可以被用于存储处理器702在执行操作时所使用的数据。
89.实施例四
90.基于相同的发明构思，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述燃料电池堆流体流动分析建模方法的步骤。
91.在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
92.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构
和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
93.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
94.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
95.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
96.本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本发明实施例的燃料电池堆流体流动分析建模装置、计算机设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
97.应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。