[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

说明书

本发明提供了一种采用电化学氢气泵回收燃料电池阳极氢气的建模方法，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。模型基于显示格式更新算法，控制方程在电化学氢气泵各层中心处求解，层内不再细分网格，模型的计算效率高且能够保证足够的模型精度。燃料电池阳极氢气回收的电化学氢气泵模型充分考虑了电化学氢气泵内部的水‑气耦合传输过程，构建了负载电压与氢气产量的关系，能够计算电化学氢气泵的实际效率等，且适用于化工领域从多种杂质气体中提纯氢气的仿真计算分析。

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种回收质子交换膜燃料电池阳极氢气的数值建模方法。

技术背景

由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、高能量转化效率、低运行温度、和零排放等优势，因此被认为是未来交通运输行业的清洁能源之一。氢气作为燃料电池反应气体，其流量大小直接影响了电池堆输出功率以及系统能量利用率，氢气供给不足会造成电池堆局部缺氢现象的发生，降低电池堆性能并有可能对质子交换膜结构造成不可逆转的破坏，但是过量的氢气供给又会造成燃料浪费，降低系统能量利用率。

根据阳极氢气出口流向，氢气供给回路通常可分为三种模式：流通、死端以及循环利用。其中循环模式设置有额外的氢气循环回路，阳极尾气通过氢气泵重新输运到阳极流道入口。由于阳极尾气包含了电化学反应生成的水蒸气和残余的氢气，所以该循环过程不仅提高了氢气利用率，还对阳极入口的氢气有一定的加湿作用，增加了燃料电池产物水的有效利用。相比流通、死端两种氢气供给模式，循环模式虽增加了氢气循环回路，但可提升系统总效率。因此，循环模式是目前氢气供给回路的主流设计方式。

目前氢气循环回收方式可分为主动式与被动式两种。相对而言，主动式回收其可控性及瞬态响应更好，而被动式回收不需要消耗额外的电能。电化学氢气泵作为主动方式用于氢气循环回路，其分离过程只需要外加电势且由于氢气的氧化还原反应很容易发生，因而实际所需要的额外电压非常低，不需要压力梯度和浓度梯度，而且选择性高，效率高。电化学氢气泵工作原理较简单，含有杂质气体的低浓度氢气经过气体扩散层后到达阳极催化层中，在反应气体、催化剂和电解质膜的三相界面上发生电化学反应，转变为氢离子与电子。氢离子在外加电流的作用下透过质子交换膜由阳极移动到阴极，电子经由外电路移动，在阴极催化层中，氢离子结合电子重新转化为氢气，从阴极流道中流出。

由于质子交换膜对气体的透过性极低，整体效果表现为阳极较低浓度的氢气转变为阴极高纯度的氢气，通过多级电化学氢气泵的配合使用，可以同时实现氢气的压缩，目前已经实现的输出压力可以达到几十个大气压。电化学氢气泵作为一种高效处理技术且产氢纯度高，其潜在的应用领域非常广泛。然而，由于电化学氢气泵关于燃料电池堆的匹配性及其控制策略，即如何实现最大化的燃料利用率与提高瞬态响应能力，目前仍处于探索研究阶段，这就限制了电化学氢气泵在系统中的实际运用。本发明提出的模型能够针对上述问题进行针对性很强的高效探究，并且能够有效减小实验成本。关键是可以预先判定电化学氢气泵的阳极循环模式下燃料电池性能、燃料利用率等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于燃料电池阳极氢气回收的电化学氢气泵模型的建模方法，通过对电化学氢气泵数值模型，可以预先判定(电化学氢气泵的阳极循环模式下)燃料电池性能及燃料利用率等。

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，示意图如图1所示。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。本发明通过以下具体步骤予以实现：

(1)膜中含水量守恒方程