[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

本發明公開了一種質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環模型建立的方法，包含以下四個步驟：(1)根據陽極尾氣循環物理過程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。該模型的建立可用來解決燃料電池(車)陽極尾氣循環技術所產生的問題，包括優化電池自增濕手段和尾氣循環造成的陽極氮氣集聚等。可用于模擬不同電池結構，材料參數以及不同工況下電池自增濕效果，在此基礎上可以量化提出有效的電池自增濕方案；并分析陽極氮氣集聚對電池性能造成的影響。

技術領域

本發明屬于電化學燃料電池領域，具體涉及一種燃料電池中陽極尾氣循環數學模型的建立方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)應用于汽車動力的可行性及其巨大潛力已被廣泛認可，燃料電池車相關技術的發展也是世界各大車企所推動的熱點研究問題和重要戰略方針。

目前燃料電池車在技術上仍存在大量問題，包括PEMFC內需要足夠的水以保證質子交換膜具有高電導率。通常采用反應氣體進氣加濕為電池增濕，進氣加濕技術是目前確保PEMFC高性能、穩定功率輸出的重要條件；而對于燃料電池車，進氣增濕需要增設外部加濕器和水箱，這就增加了系統的體積和復雜程度，增濕也需要成本。由于陽極燃料氫氣是溫室氣體，其尾氣不能直接排放到大氣，需經過氣體循環裝置將尾氣中剩余的氫氣循環利用。燃料電池電化學反應生成水，如果能夠利用該生成水在無外設進氣增濕的條件下，達到電池自增濕的目的則是人們之所求。另一方面，陰極的氮氣會緩慢跨膜到陽極，由于陽極尾氣循環造成無氣體排出，長時間工作會造成跨膜氮氣在陽極集聚而無法排出，占據陽極反應氣體氫氣空間，造成電池性能下降。

根據上述的陽極尾氣循環工作過程的特點，如何通過分析陽極尾氣循環的特征實現電池自增濕，并且掌握不同電池結構、材料參數、不同工況下電池自增濕的效果，對此本發明可提出有效的方案。通過對質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環工作過程進行數學建模計算，就可以量化分析陽極尾氣循環下自增濕和滲透氮氣對電池性能的影響。模型的建立可為燃料電池車的自增濕或無外增濕技術提供仿真支持，直接應用于燃料電池車的開發和實驗測試。

發明內容

本發明的目的是，提出一種建立質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環工作過程仿真模型的方法，計算不同工況下陽極尾氣循環工作的性能變化特征，為電池自增濕技術提供數據依據。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。

質子交換膜燃料電池陽極尾氣循環模型的建立包含以下四個步驟：

(1)根據陽極尾氣循環物理過程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：