[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

摘要

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。

主权项

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分别表示t时刻阳极催化层、质子交换膜、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_CL，δ_MEM表示催化层与质子交换膜厚度，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Sm‑v表示膜态水与水蒸气之间的相变源项，SEOD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时刻阴极催化层与扩散层的水蒸气浓度，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，氢气的计算公式如下：式中表示t时刻阴极催化层与扩散层的氢气浓度，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，表示阴极流道进口与出口处氢气的浓度，u_out表示气体的流速，A_HP,in表示流道的截面积，(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，pc，pa表示阴极与阳极的压强，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＝Vnerest+Vact+Vohmic   (4‑2)根据上述步骤(1)、(2)、(3)即可得出的水含量、气体浓度，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，欧姆损失的计算表达式如下：Vohmic＝I·ASR   (4‑4)式中ASR表示氢气泵的面积电阻，主要是表征指氢离子及电子传导过程中的阻力，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。