【摘要】：針對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)內(nèi)部電流密度分布不易被檢測到的問題,提出一種基于檢測電池外部磁感應(yīng)強度并對檢測數(shù)據(jù)運用奇異值分解進行處理分析從而得到電池內(nèi)部電流分布的實時非接觸測量方法。對有效反應(yīng)面積為80mm?80mm的質(zhì)子交換膜燃料電池建立單體數(shù)學(xué)模型,分別對電流均勻分布以及局部電流過低兩種情況下的電池模型進行了外部磁場仿真分析,并利用仿真所得磁場檢測點數(shù)據(jù)對電池內(nèi)部電流分布進行計算。計算結(jié)果表明,在PEMFC電流均勻分布,或在電池局部電流過低的情況下,該算法得到的計算結(jié)果與仿真磁場的電流設(shè)定值相符合。
【圖文】：

誆康緦韉男路?法，即通過檢測外部磁場強度來計算內(nèi)部電流密度分布情況。首先建立PEMFC內(nèi)部電流密度分布與外部電磁場關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，然后討論了電流均勻分布情況和由于缺氧引起的局部電流密度下降情況，并使用ANSOFT電磁場分析軟件進行了仿真驗證。1EMFC單體磁場模型及算法單體PEMFC在外觀上一般表現(xiàn)為板狀。為了更好地對質(zhì)子交換膜上電流密度的分布進行準(zhǔn)備分析，可以將一塊正在工作的單體PEMFC沿電流方向等效為m行、n列通電導(dǎo)線模型組截面[10-11]，同時可對導(dǎo)線模型進行區(qū)域編號，以進一步減小其復(fù)雜程度，如圖1所示。圖1單體燃料電池原理結(jié)構(gòu)圖對PEMFC外部某一檢測點P，其理論磁感應(yīng)強度為電池各子單元在P點磁感應(yīng)強度的矢量疊加值。對圖1所建模型，點P處磁感應(yīng)強度為I11~Imn各子單元在P點的磁場矢量和，故要對每一個子單元在P點的磁場值進行計算。各子單元在P點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為BPImn，如圖1中子單元m2對檢測點P處磁感應(yīng)強度BPIm2。對長直柱狀導(dǎo)體，環(huán)繞在電流周圍的磁場B可以利用電流值I和磁感應(yīng)公式1得到：02πBIr(1)其中：μ0=4π·10-7N/A2表示真空磁導(dǎo)率；r為到電流導(dǎo)體中心的距離；I表示恒定電流。故各子單元在點P的磁感應(yīng)強度可由式2表示：(,)0(,)(,)2πijijPIijIBr(2)方向可由右手螺旋定則判斷。由式2，可得P點總磁感應(yīng)強度為：(,)0(,)(,)1111(,)2ijmnmnijPIijijijijIBBr(3)由式3對每一個檢測點P均可得到一個二次方程。當(dāng)檢測點個數(shù)達到m×n個，即與PEMFC子單元數(shù)量相同時，可得到一個m×n元二次方程組。在現(xiàn)階段，，多元二次方程組求解耗時且結(jié)果準(zhǔn)確度不足。為了提高算法計算速度同時降低計算的復(fù)雜度，

第26卷第12期Vol.26No.122014年12月仲志丹,等:基于電磁場的PEMFC電流分布實時非接觸測量研究Dec.,2014http:∥www.china-simulation.com3005magnetostatic（靜磁場）；求解區(qū)域region取各向偏移500%；邊界為region四邊，取balloon(氣球邊界)；對該4×4電池模型，在PEMFC外部取4×4個磁場檢測點，與PEMFC最短距離均設(shè)定為0.5cm。下面對PEMFC兩種情況下的電流分布進行磁場仿真及計算分析。2.1PEMFC內(nèi)部電流均勻分布在理想均勻分布情況下，設(shè)定各子單元電流值均為2.5A，可得PEMFC外部磁場分布情況如圖2所示。圖2電流均勻分布時磁場分布仿真在圖2中，PEMFC外部磁場分布宏觀上遵循一定規(guī)律，類似長直電流導(dǎo)線外部磁場分布。同時所取各檢測點與電池表面距離相同，但相對每個子單元而言各檢測點距離并不一致，所以各檢測點磁感應(yīng)強度值在遵循宏觀規(guī)律的同時也存在各相異性。對設(shè)定電流值，從圖2中可以得到模型外部磁場檢測點所處位置磁感應(yīng)強度值在1.3597*10-4T至1.8129*10-4T之間。利用檢測點的磁感應(yīng)強度值對電流分布進行計算，結(jié)果如圖3所示。圖3電流均勻分布時電流分布計算結(jié)果圖3中電流值均為計算值保留一位小數(shù)點所得。可以看出，各子單元電流值分布比較均勻，與設(shè)定值(2.5A)相差較校對各子單元電流值(四舍五入前)計算相對誤差，得到最大相對誤差為0.8%。2.2PEMFC局部電流過低當(dāng)PEMFC受到缺氧問題干擾時，電池內(nèi)部會產(chǎn)生局部電流密度過低現(xiàn)象。設(shè)定缺氧區(qū)為41子單元，電流值為0.5A，其它子單元電流仍保持為2.5A，仿真可得PEMFC外部磁場分布情況如圖4所示。圖4局部電流過低時磁場分布仿真由圖4可知，在PEMFC內(nèi)部電流分布不均的情況下，缺氧區(qū)(41子單元)外部檢測點磁感應(yīng)強度值明顯低于其它檢測點，宏觀上觀察亦可以發(fā)現(xiàn)電?

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本文編號：2560577