【摘要】：針對(duì)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(cè)到的問(wèn)題,提出一種基于檢測(cè)電池外部磁感應(yīng)強(qiáng)度并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用奇異值分解進(jìn)行處理分析從而得到電池內(nèi)部電流分布的實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量方法。對(duì)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(duì)電流均勻分布以及局部電流過(guò)低兩種情況下的電池模型進(jìn)行了外部磁場(chǎng)仿真分析,并利用仿真所得磁場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)電池內(nèi)部電流分布進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,在PEMFC電流均勻分布,或在電池局部電流過(guò)低的情況下,該算法得到的計(jì)算結(jié)果與仿真磁場(chǎng)的電流設(shè)定值相符合。
【圖文】：

誆康緦韉男路?法，即通過(guò)檢測(cè)外部磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)計(jì)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(chǎng)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(chǎng)分析軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。1EMFC單體磁場(chǎng)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(duì)質(zhì)子交換膜上電流密度的分布進(jìn)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(shí)可對(duì)導(dǎo)線模型進(jìn)行區(qū)域編號(hào)，以進(jìn)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(duì)PEMFC外部某一檢測(cè)點(diǎn)P，其理論磁感應(yīng)強(qiáng)度為電池各子單元在P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量疊加值。對(duì)圖1所建模型，點(diǎn)P處磁感應(yīng)強(qiáng)度為I11~Imn各子單元在P點(diǎn)的磁場(chǎng)矢量和，故要對(duì)每一個(gè)子單元在P點(diǎn)的磁場(chǎng)值進(jìn)行計(jì)算。各子單元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為BPImn，如圖1中子單元m2對(duì)檢測(cè)點(diǎn)P處磁感應(yīng)強(qiáng)度BPIm2。對(duì)長(zhǎng)直柱狀導(dǎo)體，環(huán)繞在電流周圍的磁場(chǎng)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(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)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(diǎn)總磁感應(yīng)強(qiáng)度為：(,)0(,)(,)1111(,)2ijmnmnijPIijijijijIBBr(3)由式3對(duì)每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)P均可得到一個(gè)二次方程。當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到m×n個(gè)，即與PEMFC子單元數(shù)量相同時(shí)，可得到一個(gè)m×n元二次方程組。在現(xiàn)階段，，多元二次方程組求解耗時(shí)且結(jié)果準(zhǔn)確度不足。為了提高算法計(jì)算速度同時(shí)降低計(jì)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(chǎng)的PEMFC電流分布實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量研究Dec.,2014http:∥www.china-simulation.com3005magnetostatic（靜磁場(chǎng)）；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(duì)該4×4電池模型，在PEMFC外部取4×4個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)，與PEMFC最短距離均設(shè)定為0.5cm。下面對(duì)PEMFC兩種情況下的電流分布進(jìn)行磁場(chǎng)仿真及計(jì)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(chǎng)分布情況如圖2所示。圖2電流均勻分布時(shí)磁場(chǎng)分布仿真在圖2中，PEMFC外部磁場(chǎng)分布宏觀上遵循一定規(guī)律，類似長(zhǎng)直電流導(dǎo)線外部磁場(chǎng)分布。同時(shí)所取各檢測(cè)點(diǎn)與電池表面距離相同，但相對(duì)每個(gè)子單元而言各檢測(cè)點(diǎn)距離并不一致，所以各檢測(cè)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值在遵循宏觀規(guī)律的同時(shí)也存在各相異性。對(duì)設(shè)定電流值，從圖2中可以得到模型外部磁場(chǎng)檢測(cè)點(diǎn)所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度值在1.3597*10-4T至1.8129*10-4T之間。利用檢測(cè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值對(duì)電流分布進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。圖3電流均勻分布時(shí)電流分布計(jì)算結(jié)果圖3中電流值均為計(jì)算值保留一位小數(shù)點(diǎn)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(duì)各子單元電流值(四舍五入前)計(jì)算相對(duì)誤差，得到最大相對(duì)誤差為0.8%。2.2PEMFC局部電流過(guò)低當(dāng)PEMFC受到缺氧問(wèn)題干擾時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生局部電流密度過(guò)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(chǎng)分布情況如圖4所示。圖4局部電流過(guò)低時(shí)磁場(chǎng)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(cè)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度值明顯低于其它檢測(cè)點(diǎn)，宏觀上觀察亦可以發(fā)現(xiàn)電?

【參考文獻(xiàn)】

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【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

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【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2560577