[发明专利]质子交换膜燃料电池瞬态过程模型建立的方法

摘要

本发明提出了一种建立质子交换膜燃料电池瞬态过程模型仿真的方法，沿电池垂直于极板方向，求得变工况下每一时刻电池内水瞬态变化、反应气体瞬态变化和电压瞬态变化，然后据此求得对应时刻的燃料电池输出电压，由此预测电池瞬态性能。具体步骤主要包括3个部分：电池内水瞬态变化过程；反应气体瞬态变化过程；电压瞬态变化过程。从燃料电池电化学机理、水管理和传质分析角度建立的全电池瞬态模型，具有对燃料电池性能分析准确性高，研究性强的特点，同时采用显式解法以保证高计算效率。该模型可用于预测电池在瞬态过程中的性能变化，燃料电池在变工况运行下达到稳定的响应时间，还能从反应物和水输运过程探明燃料电池性能波动和衰退的原因。

主权项

1.质子交换膜燃料电池瞬态过程模型建立的方法，其特征是：构建的模型包括电池内水的瞬态响应、反应气体的瞬态响应、电压瞬态响应三部分的性能预测计算，沿电池垂直于极板方向，求得变工况下每一时刻电池内水瞬态变化、反应气体瞬态变化，再依据水分布和反应气体浓度求得对应时刻的燃料电池输出电压，由此预测电池瞬态性能，其具体步骤为：(1)电池内水瞬态变化过程该过程包括：阳极催化层水蒸气和阴极催化层液态水，阳极催化层水蒸气：式中：为上一时间步阳极微孔层内水蒸气浓度；为上一时间步阳极催化层内水蒸气浓度；为微孔层和催化层间的有效水蒸气扩散率；δ_mpl为微孔层厚度；δ_cl为催化层厚度；δ_m为质子交换膜厚度；ρ_l为液态水密度；为水的摩尔质量；K_l,m为质子交换膜的渗透率；μ_l为水的动力粘度；为上一时间步阳极催化层液压；为上一时间步阴极催化层液压；D_m为膜态水扩散率；ρ_dry为干态膜密度；EW为质子交换膜的当量质量；为上一时间步阳极催化层膜水量；上一时间步阴极催化层膜水量；n_d为电渗拖拽系数；I为电流密度；F为法拉第常数；ε_acl为阳极催化层孔隙率；为上一时间步阳极催化层液态水体积分数；为当前时间步阳极催化层水蒸气浓度；Δt为时间步长，阴极催化层液态水：式中：K_l,mpl‑cl为微孔层和催化层间的渗透率；为当前时间步阴极催化层内液态水体积分数；为上一时间步阴极催化层内液态水体积分数，其中，微孔层和催化层间的有效水蒸气扩散率与微孔层和催化层间的渗透率K_l,mpl‑cl分别为：由式1‑1求出当前时刻阳极催化层水蒸气浓度由式1‑2求出阴极催化层液态水体积分数将各个时刻的阳极水蒸气浓度和阴极液态水体积分数绘制成曲线，得到瞬态过程中水分布的变化；(2)反应气体瞬态变化过程该过程包括：阳极催化层氢气浓度和阴极催化层氧气浓度，阳极催化层氢气浓度：式中：为上一时间步阳极微孔层内氢气浓度；为上一时间步阳极催化层内氢气浓度；为微孔层和催化层间的有效氢气扩散率；为当前时间步阳极催化层氢气浓度，阴极催化层氧气浓度：式中：为上一时间步阴极微孔层内氧气浓度；为上一时间步阴极催化层内氧气浓度；为微孔层和催化层间的有效氧气扩散率，为当前时间步阴极催化层氧气浓度，其中，微孔层和催化层间的有效氢气扩散率与微孔层和催化层间的有效氧气扩散率分别为：由式2‑1求出当前时刻阳极催化层氢气浓度由式2‑2求出当前时刻阴极催化层氧气浓度将各个时刻的氢气浓度和氧气浓度绘制成曲线，得到瞬态过程中反应气体浓度的变化；(3)电压瞬态变化过程电池输出电压为：V_out＝E_rev‑η_ohm‑η_act,a‑η_act,c3‑1式中：V_out为电池输出电压；E_rev为电化学反应可逆电压；η_ohm为欧姆损失；η_act,a为阳极活化损失；η_act,c为阴极活化损失，电化学反应可逆电压E_rev由能斯特方程求得：式中：ΔG为吉布斯自由能变；F为法拉第常数；ΔS为熵变；R为理想气体常数；T为工况温度；T_ref为参考温度；为氢气分压力；为氧气分压力，阳极和阴极的活化损失分别为：式中：α为电荷传输系数；n为单位反应中传输的电子数；为阳极反应参考交换电流密度；为阴极反应参考交换电流密度；为参考氧气浓度；为参考氧气浓度，将式2‑1求得的阳极催化层氢气浓度带入式3‑3求出阳极活化损失，将式2‑2求得的阴极催化层氧气浓度带入式3‑4求出阴极活化损失，欧姆损失：式中：δ_bp为极板厚度；δ_gdl为扩散层厚度；σ_bp、σ_gdl、σ_mpl、σ_cl、σ_m依次为极板、扩散层、微孔层、催化层和质子交换膜的电导率，其中质子交换膜电导率：其中λ为质子交换膜中膜态水含量，由式3‑1求得每一时刻电池输出电压，将每个时刻输出电压绘制成曲线得到瞬态过程中输出电压的变化。