[发明专利]基于SIMULINK的燃料电池电堆冷启动建模仿真试验方法

权利要求书

1.一种基于SIMULINK的燃料电池电堆冷启动建模仿真试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据燃料电池解析模型基于SIMULINK构建燃料电池电堆模型，燃料电池电堆模型具体包括多个串联封装而成的电池单体模型，每个电池单体模型均由热管理模块、水管理模块和电压输出模块构成；

所述的热管理模块根据燃料电池解析模型的能量平衡构建，用以获取燃料电池单体的温度变化情况，则有：

其中，m为电池的质量，C_p为电池部件的比热容，(mC_p)_cell为电池总的热容，为燃料电池单体总产热的变化率，为热传递及耗散热量的变化率，t为时刻，T₀为环境温度，T为电池的热力学温度，分别为可逆产热、不可逆产热以及相变热，所述的可逆产热、不可逆产热以及相变热的表达式为：

其中，ΔS为熵变，U_o为燃料电池理论电压，U_cell为电池实际电压，h_phase为相变潜热，I为燃料电池反应电流密度，A为燃料电池极板活性面积，F为法拉第常数，ΔG为吉布斯自由能，为冰生成的摩尔速率；

所述的水管理模块根据燃料电池解析模型的水平衡构建，用以获取燃料电池单体内部的水含量，则有：

其中，n表示物质的量，为催化层中水的总生成摩尔速率，表示催化层中由氧化还原反应生成水的总速率，为自催化层中扩散至膜中的水的摩尔速率，为催化层中扩散至气体扩散层中水的速率，根据催化层中水的总生成摩尔速率通过时间积分获取电池单体内部的水含量，所述的催化层中由氧化还原反应生成水的总速率由燃料电池电化学反应计算，则有：

其中，I为燃料电池反应电流密度，F为法拉第常数，n_d为电渗拖曳系数；

所述的自催化层中扩散至膜中的水的摩尔速率的计算式为：

其中，ρ_dry为不含水时质子交换膜的密度，λ_sat质子交换膜饱和时的水含量，λ₀为质子交换膜初始水含量，δ_mem为质子交换膜的厚度，EW为质子交换膜的等效质量；

所述的催化层中扩散至气体扩散层中水的速率的计算式为：

其中，ζ_c为阴极过量系数，为饱和水蒸气分压，p_c为阴极压力；

所述的电压输出模块根据燃料电池的理论解析模型的输出电压构建，用以输出电池的电压，则有：

V_out＝V_nernst-V_act-V_conc-V_ohmic

其中，V_out为电池单体的输出电压，V_nernst为能斯特电压，V_act为活化极化电压，V_conc为浓差极化电压，V_ohmic为欧姆极化电压，所述的能斯特电压V_nernst的计算式为：

其中，U₀为燃料电池理论电压，T为电池的热力学温度，T₀′为标准态温度，取值为298.15K，分别为氢、氧、水的分压，R为理想气体常数，F为法拉第常数；

所述的活化极化电压V_act的表达式为：

其中，α为转移系数，I₀为交换电流密度，I为燃料电池反应电流密度；

所述的浓差极化电压V_conc的计算式为

其中，n′为化学计量数，I_L为极限电流密度；

所述的欧姆极化电压V_ohmic的计算式为：

其中，ASR_BP、ASR_GDL、ASR_mem、ASR_CL分别为极板、气体扩散层、质子交换膜、催化层的面积比电阻，考虑在冷启动过程中冰的出现对活化电压产生影响，所述的能斯特电压V_nernst的修正式为：

其中，s_ice为冰的体积分数，s_lq为液态水的体积分数，为此时的交换电流密度；

2)根据燃料电池电堆模型模拟燃料电池电堆冷启动过程，获取燃料电池电堆冷启动过程的电压输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于SIMULINK的燃料电池电堆冷启动建模仿真试验方法，其特征在于，所述的步骤2)中，冷启动过程的辅助加热通过加热冷却液的方式提高电池电堆温度，冷却液的温度通过每个燃料电池单体模型内部进行输入，根据模拟输出的燃料电池电堆输出功率达到其额定功率的5％且运行至少10min则视为冷启动成功。