[发明专利]燃料电池气体流道优化设计方法、系统、电子设备及介质

权利要求书

1.一种燃料电池气体流道优化设计方法，其特征在于，包括：

搭建燃料电池的数理模型；

采用中心复合设计确定流道几何参数的多个取值；

将流道几何参数的每个取值代入所述数理模型，获得每个取值对应的燃料电池性能值，并将流道几何参数的所有取值和所有燃料电池性能值构成样本数据集；

利用所述样本数据集训练人工神经网络，获得最优人工神经网络；

根据所述最优人工神经网络拟合得到气体流道的目标优化模型；

采用智能优化算法求解所述目标优化模型，获得使燃料电池性能达到最优的流道几何参数。

2.根据权利要求1所述的燃料电池气体流道优化设计方法，其特征在于，所述燃料电池的数理模型包括：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程、电化学反应方程和质子交换膜内的水传输方程；

所述质量守恒方程为式中，ε为孔隙率，在多孔介质区域：ε1，在非多孔介质区域：ε＝1；ρ为流体密度；为流体速度；S_m为质量源项，阳极催化层：阴极催化层：和分别为氢气、水和氧气的摩尔质量，F为法拉第常数，R_a、R_c分别为阳极、阴极交换电流密度；符号为梯度算子；

所述动量守恒方程为式中，μ为流体的动力粘度；p为压强；S_u为动量源项，K为多孔介质的渗透率；

所述能量守恒方程为式中，c_p为流体的定压比热容；T为温度；k^eff为有效导热系数；S_Q为能量源项，S_Q＝h_react-R_a,cη_a,c+I²R_ohm+h_L，h_react为电化学反应产热；R_a,c为阳极/阴极交换电流密度；η_a,c为阳极/阴极过电位；I为电流；R_ohm为欧姆电阻；h_L为水相变的潜热；

所述组分守恒方程为式中，m_x为组分x的质量分数；为组分x的有效扩散系数；S_x为组分源项，组分源项仅在催化层中存在，组分x包括氢气、氧气和水，

所述电化学反应方程包括电流守恒方程和Butler-Volmer方程；

所述电流守恒方程为和式中，σ_sol、σ_mem分别为固相和膜相的电导率；φ_sol、φ_mem分别为固相和膜相的电势；S_sol、S_mem分别为固相和膜相的电流源项，阳极：S_sol＝-R_a，S_mem＝R_a；阴极：S_sol＝R_c，S_mem＝-R_c；

所述Butler-Volmer方程为和式中，ζ_a、ζ_c分别为阳极和阴极催化层的活性比表面积；分别为阳极和阴极的交换电流密度；C和C^ref分别为各组分局部摩尔浓度和参考摩尔浓度；γ_a、γ_c分别为阳极和阴极的浓度指数；α_a、α_c分别为阳极和阴极的电荷传输系数；η_a、η_c分别为阳极和阴极的活化过电位；R为理想气体常数；

所述质子交换膜内的水传输方程包括电渗拖曳、浓差扩散和压力迁移；

所述电渗拖曳为式中，i为电流密度；n_d为电渗拖曳系数，λ为每一个磺酸基团所含水分子的个数，α为水的活度，p_WV为水蒸气的分压，p_sat(T)为温度T下的饱和压力，s为液态水饱和度；N_e为电渗拖曳引起的膜内水的通量；

所述浓差扩散为式中，D_w为水在质子交换膜中的扩散系数；c_w为质子交换膜内水的浓度；N_c为浓差扩散引起的膜内水的通量；

所述压力迁移为式中，N_p为压力迁移引起的膜内水的通量。