基于电磁场的PEMFC电流分布实时非接触测量研究

发布时间：2019-11-14 01:26

【摘要】：针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部电流密度分布不易被检测到的问题,提出一种基于检测电池外部磁感应强度并对检测数据运用奇异值分解进行处理分析从而得到电池内部电流分布的实时非接触测量方法。对有效反应面积为80mm?80mm的质子交换膜燃料电池建立单体数学模型,分别对电流均匀分布以及局部电流过低两种情况下的电池模型进行了外部磁场仿真分析,并利用仿真所得磁场检测点数据对电池内部电流分布进行计算。计算结果表明,在PEMFC电流均匀分布,或在电池局部电流过低的情况下,该算法得到的计算结果与仿真磁场的电流设定值相符合。
【图文】：

密度分布,燃料电池,原理结构,单体

诓康缌鞯男路?法，即通过检测外部磁场强度来计算内部电流密度分布情况。首先建立PEMFC内部电流密度分布与外部电磁场关系的数学模型，然后讨论了电流均匀分布情况和由于缺氧引起的局部电流密度下降情况，并使用ANSOFT电磁场分析软件进行了仿真验证。1EMFC单体磁场模型及算法单体PEMFC在外观上一般表现为板状。为了更好地对质子交换膜上电流密度的分布进行准备分析，可以将一块正在工作的单体PEMFC沿电流方向等效为m行、n列通电导线模型组截面[10-11]，同时可对导线模型进行区域编号，以进一步减小其复杂程度，如图1所示。图1单体燃料电池原理结构图对PEMFC外部某一检测点P，其理论磁感应强度为电池各子单元在P点磁感应强度的矢量叠加值。对图1所建模型，点P处磁感应强度为I11~Imn各子单元在P点的磁场矢量和，故要对每一个子单元在P点的磁场值进行计算。各子单元在P点产生的磁感应强度为BPImn，如图1中子单元m2对检测点P处磁感应强度BPIm2。对长直柱状导体，环绕在电流周围的磁场B可以利用电流值I和磁感应公式1得到：02πBIr(1)其中：μ0=4π·10-7N/A2表示真空磁导率；r为到电流导体中心的距离；I表示恒定电流。故各子单元在点P的磁感应强度可由式2表示：(,)0(,)(,)2πijijPIijIBr(2)方向可由右手螺旋定则判断。由式2，可得P点总磁感应强度为：(,)0(,)(,)1111(,)2ijmnmnijPIijijijijIBBr(3)由式3对每一个检测点P均可得到一个二次方程。当检测点个数达到m×n个，即与PEMFC子单元数量相同时，可得到一个m×n元二次方程组。在现阶段，，多元二次方程组求解耗时且结果准确度不足。为了提高算法计算速度同时降低计算的复杂度，

磁场分布,电流均匀分布,磁场分布

第26卷第12期Vol.26No.122014年12月仲志丹,等:基于电磁场的PEMFC电流分布实时非接触测量研究Dec.,2014http:∥www.china-simulation.com3005magnetostatic（静磁场）；求解区域region取各向偏移500%；边界为region四边，取balloon(气球边界)；对该4×4电池模型，在PEMFC外部取4×4个磁场检测点，与PEMFC最短距离均设定为0.5cm。下面对PEMFC两种情况下的电流分布进行磁场仿真及计算分析。2.1PEMFC内部电流均匀分布在理想均匀分布情况下，设定各子单元电流值均为2.5A，可得PEMFC外部磁场分布情况如图2所示。图2电流均匀分布时磁场分布仿真在图2中，PEMFC外部磁场分布宏观上遵循一定规律，类似长直电流导线外部磁场分布。同时所取各检测点与电池表面距离相同，但相对每个子单元而言各检测点距离并不一致，所以各检测点磁感应强度值在遵循宏观规律的同时也存在各相异性。对设定电流值，从图2中可以得到模型外部磁场检测点所处位置磁感应强度值在1.3597*10-4T至1.8129*10-4T之间。利用检测点的磁感应强度值对电流分布进行计算，结果如图3所示。图3电流均匀分布时电流分布计算结果图3中电流值均为计算值保留一位小数点所得。可以看出，各子单元电流值分布比较均匀，与设定值(2.5A)相差较校对各子单元电流值(四舍五入前)计算相对误差，得到最大相对误差为0.8%。2.2PEMFC局部电流过低当PEMFC受到缺氧问题干扰时，电池内部会产生局部电流密度过低现象。设定缺氧区为41子单元，电流值为0.5A，其它子单元电流仍保持为2.5A，仿真可得PEMFC外部磁场分布情况如图4所示。图4局部电流过低时磁场分布仿真由图4可知，在PEMFC内部电流分布不均的情况下，缺氧区(41子单元)外部检测点磁感应强度值明显低于其它检测点，宏观上观察亦可以发现电?

【参考文献】