[发明专利]采用电化学氢气泵回收燃料电池阳极氢气的建模方法

权利要求书

1.采用电化学氢气泵回收燃料电池阳极氢气的建模方法，电化学氢气泵以质子交换膜为中心，膜两侧对称设置催化层、气体扩散层、流道以及极板，两端极板直接设置驱动电压，其特征在于：采用电化学氢气泵用于燃料电池系统中阳极尾气的回收利用，为此构建一维瞬态仿真模型，模型的控制方程包括：膜中含水量守恒方程、多孔介质中气体守恒方程、流道中气体守恒方程以及氢气泵附加电压计算，其具体步骤包括：

(1)膜中含水量守恒方程

式中表示t时刻阳极催化层的含水量，表示t时刻质子交换膜的含水量，表示t时刻阴极催化层的含水量，上标t-Δt则对应上一个时刻的数值，δ_CLa表示阳极催化层厚度，δ_CLc表示阴极催化层厚度，ω_CLa表示阳极催化层的聚合物体积分数，ω_CLc表示阴极催化层的聚合物体积分数，表示质子交换膜与阴极催化层之间的有效膜态水传输系数，δ_CL表示催化层膜厚度，δ_MEM表示质子交换膜厚度，表示催化层与膜的有效水传输系数，EW表示膜当量质量，ρ_MEM表示膜密度，ω表示催化层中聚合物体积分数，Δt表示时间步长，S_mw表示膜中含水量的源项，包括质子移动引起的电拖拽作用及水的相变过程，

式中S_m-v表示膜态水与水蒸气之间的相变源项，S_EOD表示电拖拽源项；

(2)多孔介质中气体守恒方程

模型只考虑气体在多孔介质中的扩散传质，忽略对流传质作用，为此水蒸气在气体扩散层及催化层中的计算表达式为：

式中表示t时刻阴极催化层水蒸气浓度，表示t时刻扩散层水蒸气浓度，表示水蒸气在扩散层与催化层之间的有效扩散系数，表示扩散层的有效水蒸气扩散系数，ε表示多孔介质的孔隙率大小，S_vp表示水蒸气的源项，r_CH表示GDL与流道交界面的有效传质面积系数，δ_CLc表示阴极催化层厚度，ε_GDLc表示阴极气体扩散层厚度，ε_CLc表示阴极催化层孔隙率，ε_GDLc表示阴极气体扩散层孔隙率，表示t-Δt时刻阴极流道中水蒸气浓度，

氢气的计算公式如下：

式中表示t时刻阴极催化层的氢气浓度，表示t时刻扩散层的氢气浓度，表示氢气在扩散层与催化层之间的有效扩散系数，表示扩散层的有效氢气扩散系数，表示氢气的源项，其数值根据法拉第定律进行计算，

(3)流道中气体守恒方程

电化学氢气泵流道中氢气与水蒸气的计算方式如下：

式中表示t时刻阴极流道的氢气浓度，表示t时刻阴极催化层的氢气浓度，表示t时刻阴极气体扩散层的氢气浓度，表示流道中氢气的源项，由于氢气泵阴极流道只有气体出口，故流道中只有气体流出的负源项，表示阴极流道进口处氢气的浓度，表示阴极流道出口处氢气的浓度，u_in表示气体的入口流速，u_out表示气体的流速，A_HP,in表示流道的截面积，ε_CHa表示阳极流道厚度，δ_CHc表示阴极流道厚度，δ_GDLc表示阴极气体扩散层厚度，A_HP表示电化学氢气泵的有效反应面积，表示阳极流道中氢气的源项，表示阴极流道中氢气的源项，

(4)氢气泵附加电压计算

电化学氢气泵的理论驱动电压计算式如下：

式中R表示理想气体常数，T表示温度，F表示法拉第常数，p_c表示阴极的压强，p_a表示阳极的压强，

由于欧姆损失与活化损失的存在，因此电化学氢气泵实际的电势差计算式如下：

V＝V_nerest+V_act+V_ohmic        (4-2)

V表示电化学氢气泵实际的电势差，V_nerest表示能斯特电压，V_act表示活化损失电压，V_ohmic表示欧姆损失电压，氢气泵附加电压与电化学氢气泵实际的电势差是同一指代，根据上述步骤(1)、(2)、(3)即可得出的阳极催化层含水量、质子交换膜含水量、阴极催化层含水量、阴极催化层氢气浓度、阴极气体扩散层氢气浓度、阴极流道氢气浓度，即可计算活化损失及欧姆损失，

活化损失计算式如下：

式中α表示电荷传递系数，n表示电子转移数目，对于氢气，n取2，j表示反应速率，I表示电流密度，表示参考氢气浓度，表示氢气浓度，

欧姆损失的计算表达式如下：

V_ohmic＝I·ASR                                (4-4)

式中ASR表示氢气泵的面积电阻，是表征氢离子及电子传导过程中的阻力，根据膜中含水量守恒方程、多孔介质中气体守恒方程、流道中气体守恒方程以及氢气泵附加电压计算，以此建立电化学氢气泵一维瞬态仿真模型，快速预测电化学氢气泵阴极提纯氢气的浓度、流速、温度以及电化学氢气泵的所需电压。