[发明专利]质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法，构建的模型包括垂直于极板方向的一维模型和1+1+1维的准三维模型，构建垂直于极板方向的一维模型具体包括四个步骤：确定电池输出电压、确定欧姆损失、确定活化损失、以及水管理；1+1+1维准三维模型在垂直于极板方向一维模型的基础上，增加了沿电池流道方向和垂直于流道的肋板方向。求解反应物和水的质量守恒方程，得到的电池各层内平均液态水体积分数和催化层内反应物浓度，由此求出欧姆损失和活化损失，调节电流密度、温度、进气相对湿度等工况，可预测不同工况下质子交换膜燃料电池的输出电压。质子交换膜燃料电池性能预测模型的建立，将有效节约开发经费并缩短开发周期。

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、零排放等优点，被视为最有希望应用于汽车动力的功率源，其技术发展深受到国内外研究者的重视。为保证PEMFC具有稳定可靠的性能(包括交换膜的高质子电导率、反应物的输送及产物的排出等)，研究PEMFC内部各层的水、氢气及氧气传输过程，进而对电池内提供良好的水管理至关重要，为PEMFC性能的提升提供指导。

燃料电池仿真建模作为燃料电池研究的重要手段，不仅对电池适宜工况和电池材料进行初步筛选；还能从电池内物质运输和电化学反应机理的角度分析电池性能差异的原因，为优化电池设计、提升电池性提供保障。

质子交换膜燃料电池阳极供给氢气，阴极供给氧气，维持催化层内反应物的高浓度，保证反应气体高效运输到催化层是确保电池性能的关键。除氢气氧气，电池内适当的水分布也十分重要，既要使质子交换膜具有相当的湿度以保证高质子电导率，还要避免阴极水淹的发生。目前的预测方法大多从系统控制的角度对燃料电池的输出电压进行预测，忽略了电池内物质分布和电化学反应机理对电池性能的影响。由于此类模型缺乏物质运输机理，诸多电池的运行工况参数和实际具备的材料参数均在模型中无法体现，无法研究工况和电池设计参数对电池性能的影响。

建立准确有效并兼具短运算周期的燃料电池模型，将有效节约开发经费并缩短开发周期。能全面研究电池性能的三维数值模型，存在对计算能力要求高，计算周期长等问题，需要使用高计算性能的工作站计算，仅计算单个工况就需要一天的时间，这不利于模型在工程实际中的应用，电池设计初期需要能够快速预测电池设计参数对其性能影响的模型。依据电化学反应机理、电池内传质分析和水管理方法，本发明提供了一种能快速准确质子交换膜燃料电池性能的模型方法。既可建立垂直于极板方向的一维解析模型，也可用于建立3个一维叠加的准三维解析模型。准三维模型较三维数值模型计算周期大大缩短，拓宽研究内容而不会增加过多计算量。

发明内容

本发明的目的是，依据电化学机理以及电池内传质分析理论，提供一种快速准确预测质 子交换膜燃料电池性能模型建立的方法，可用于测试多种工况和设计参数对电池性能的影响。

所构建的模型包括垂直于极板方向的一维模型、和1+1+1维的准三维模型。其中构建垂直于极板方向的一维模型其具体包括四个步骤：确定电池输出电压、确定欧姆损失、确定活化损失、以及水管理，以下予以说明。

(1)确定电池输出电压

E_out＝E_rev-η_ohm-η_act 1-1

其中E_out表示电池输出电压；E_rev表示可逆电压；η_ohm表示电压的欧姆损失；η_act表示电压的活化损失，欧姆损失和活化损失中包含了因反应物浓度和水损耗造成的电压损耗。

可逆电压由能斯特方程求得：

只要求得欧姆损失和活化损失两部分，由1-1可求得电池输出电压。