[发明专利]一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法

说明书

本发明提供了一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法，包括以下步骤：S1、分别对膜态水守恒方程、液压守恒方程、冰守恒方程、气体守恒方程、能量守恒方程以及电池输出电压性能公式进行求解；S2、基于步骤S1中的各个方程建立采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态模型。本发明所述的一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法充分计算电池内部的“水‑气‑热‑电”耦合传输过程以准确反映内部能量流动规律，通过显式格式更新算法在每层结构的中心处进行物理量求解，层内不再细分网格，从而极大提高模型计算效率。本发明能够探究燃料电池操作工况与结构设计参数的影响，同时本发明能够给出燃料电池内部各物理量的瞬态变化情况。

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，尤其是涉及一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高功率密度、高能量转换效率、零排放等优点，被认为是未来交通运输行业的清洁能源之一。

典型的燃料电池结构包括质子交换膜、催化层、微孔层、气体扩散层、流道与极板。质子交换膜的作用是传输电化学反应的离子，即将阳极生成的质子传递到阴极，而电子无法直接穿过质子交换膜，此外，质子交换膜起到隔离阴阳极反应气体的作用。催化层提供电化学反应发生的场所，氢气在阳极催化层中失去电子发生氧化反应，氧气在阴极催化层中得到电子发生还原反应，并且与质子结合生成产物水。催化层与质子交换膜统称为膜电极结构。微孔层能够改善电池内部的水传输情况。气体扩散层提供结构支撑作用，并且传输反应气体与产物水。流道提供反应气体由电池入口到电池出口的传输路径。极板提供结构支撑作用与收集电流作用。

燃料电池运行过程中，氢氧电化学反应生成水的同时，伴随着热量的产生，若产热无法及时排出，则会造成电池运行温度过高，对膜电极结构造成不可逆破坏，导致电池耐久性的降低。由于质子传导率受到膜电极湿润程度的影响，若反应气体加湿不足，则会造成膜干现象，增大欧姆电压损失并导致输出性能的下降，但是电池内部液态水无法及时排出电池则会占据多孔介质中气体传输通道并覆盖催化层中有效反应位点，严重降低输出性能。因此，燃料电池内部的传热传质过程是“水-气-热-电”强耦合的，其中水热管理问题不仅影响了电池的输出性能，而且显著影响了耐久性与使用寿命。由于燃料电池的膜电极与多孔介质层厚度为微米级别，实验手段无法在线观测到电池内部的水热传输现象，仿真模型为探究电池内部的耦合传热传质机理提供了重要研究方法，而商业化软件中（如Simulink，Amesim）燃料电池模块为零维模型，仅计算输出电压，无内部的传热传质过程，导致模型准确性欠缺。此外，三维模型计算资源需求高且稳态模型居多，难以满足长时间瞬态仿真分析的需求。因此，建立计算效率高、可靠性强、准确度好的仿真模型对于燃料电池水热管理策略的开发至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法，通过显式格式更新算法在每层结构的中心处进行物理量求解，层内不再细分网格，从而极大提高模型计算效率,以弥补商业化软件中零维燃料电池模型准确性欠缺的不足，也解决了三维模型难以实现长时间瞬态仿真分析的短板，能够为水热管理策略开发提供仿真数据支持，极大的减小实验成本及研发周期。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种采用显式格式更新算法的燃料电池瞬态建模方法，包括以下步骤：

S1、建立采用显式格式的膜态水守恒方程、液压守恒方程、冰守恒方程、气体守恒方程以及能量守恒方程，建立电池输出电压性能公式；

S2、分别对步骤S1中的所述膜态水守恒方程、液压守恒方程、冰守恒方程、气体守恒方程和能量守恒方程之间相互耦合，并分别对膜态水守恒方程、液压守恒方程、冰守恒方程、气体守恒方程、能量守恒方程进行求解，得到守恒方程更新算法求解结果；

S3、将守恒方程更新算法求解结果输入到电池输出电压性能公式内，得到电池输出电压性能公式求解结果；