[發明專利]質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環模型建立方法

有效

• 申請號: 201710684468.0
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN107480372B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 焦魁;王博文
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H01M8/04992
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 董一寧

1.質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環模型建立的方法，其中(1)利用多孔電極方向反應氣體和水蒸氣濃度瞬態變化，求解陽極催化層內當前時刻氫氣濃度當前時刻氧氣濃度和當前時刻水蒸氣濃度(2)求解陰極催化層內當前時刻液態水體積分數(3)利用電化學反應機理求得活化損失η_act,a、歐姆損失η_ohm、和質子電導率σ_m，其特征是：所述質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環模型建立的方法，模型的建立包含以下步驟：

(1)計算并更新陽極流道入口條件；(2)求解每一時刻流道內各處流速，氫氣，水蒸氣和氮氣濃度；(3)求解每一時刻多孔電極方向氮氣跨膜量和膜態水含量；(4)求解每一時刻電池各處局部電流密度和輸出電壓，

其具體方法如下：

(1)陽極流道入口條件

陽極出口水蒸氣通量：

陽極出口氮氣通量：

式中：分別為該時刻陽極流道出口水蒸氣和氮氣通量；為出口流速；分別為出口水蒸氣和氮氣濃度，

陽極入口各氣體組分濃度及流速：

入口氫氣濃度：

入口水蒸氣濃度：

入口氮氣濃度：

入口流速：

上面式中：分別為陽極流道入口氫氣，水蒸氣和氮氣濃度；I_ave為電池平均電流密度；F為法拉第常數；A_act為電池活化面積；A_in為流道截面積；ST_a為氫氣供給化學計量比；c_gas為進氣總濃度，

(2)求解流道內流速和各氣體濃度

求解過程包括每一時刻求解流道內各處流速，氫氣，水蒸氣和氮氣濃度，

流速：

式中：為當前時刻陽極流道方向n網格處流速，為上一時刻n-1網格處流速；和分別為氫氣，水蒸氣和氮氣由陽極流道流入擴散層的通量；N為沿流道方向網格數目，

氫氣濃度：

水蒸氣濃度：

氮氣濃度：

式中：分別為當前時刻陽極流道方向n網格處氫氣，水蒸氣和氮氣濃度，分別為上一時刻n網格處氫氣，水蒸氣和氮氣濃度，分別為上一時刻n-1網格處氫氣，水蒸氣和氮氣濃度，

(3)求解每一時刻多孔電極方向氮氣跨膜量和膜態水含量

(3.1)求解氮氣跨膜量和陽極催化層內氮氣濃度：

氮氣跨膜通量與膜兩側氮氣分壓差相關：

氮氣跨膜速率取決于膜態水含量和溫度：

式中：為氮氣跨膜通量；為氮氣跨膜速率；分別為陰極和陽極氮氣分壓；δ_m為質子交換膜厚度；為電池尺度系數，常取8；λ_m為質子交換膜膜態水含量；V_w，V_m分別為液態水和干態膜的摩爾體積，

(3.2)求解陽極催化層內當前時刻第n個網格處氮氣濃度：

式中：為陽極催化層內當前時刻第n個網格處氮氣濃度；為陽極微孔層和催化層間氮氣有效擴散率，

求解陽極催化層內當前時刻氫氣濃度當前時刻氧氣濃度和當前時刻水蒸氣濃度

(3.3)陽極催化層內當前時刻第n個網格處氫氣濃度：

(3.4)陽極催化層內當前時刻第n個網格處水蒸氣濃度：

式中：為陽極催化層內當前時刻第n個網格處水蒸氣濃度；為陽極催化層內上一時刻第n個網格處水蒸氣濃度；為陽極微孔層和催化層間水蒸氣有效擴散率；K_l,m為質子交換膜的滲透率；μ_l為水的動力粘度；D_m為膜態水擴散率；n_d為電滲拖拽系數，

(3.5)求解陰極催化層內當前時刻第n個網格處氧氣濃度：

式中：為陰極催化層內當前時刻第n個網格處氧氣濃度；

求解陰極催化層內當前時刻第n個網格處液態水體積分數：

式中：為陰極催化層內當前時刻第n個網格處液態水體積分數；

(3.6)質子交換膜和催化層內膜態水含量求解：

膜態水含量：

陽極催化層水活度：

陰極催化層水活度：a_ccl＝1+2s_ccl (3-11)

質子交換膜水活度：

式中：λ為膜態水含量；

(4)求解每一時刻電池各處局部電流密度和輸出電壓

電池輸出電壓：V_out＝E_rev-η_ohm-η_act,a-η_act,c (4-1)

可逆電壓E_rev由能斯特方程求得：

活化損失η_act,a，η_act,c由Tafel公式求得：

歐姆損失η_ohm：η_ohm＝I_aveR_tot (4-5)

質子電導率σ_m：

在此基礎上，依據沿流道各處輸出電壓V相同的特征，可列出N個方程，輸出平均電流密度I_ave給定，共計N+1個方程，聯立方程組：

式中：I^[0]，I^[1]，I^[N-1]分別為沿流道0,1，N-1,網格處局部電流密度，I_ave為整個電池平均電流密度，

聯立上述方程組，最終可獲得沿流道各處局部電流密度和輸出電壓。