[發(fā)明專利]質(zhì)子交換膜燃料電池準(zhǔn)二維模型建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910162441.4
• 申請(qǐng)日: 2019-03-05
• 公開（公告）號(hào): CN109873186B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 焦魁;蔣楊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04298
• 分類號(hào): H01M8/04298;H01M8/04992
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 董一寧

1.一種建立質(zhì)子交換膜燃料電池的準(zhǔn)二維模型建立方法，其特征是：所述模型建立的具體步驟如下：

(1)求解流道內(nèi)傳質(zhì)方程

穩(wěn)態(tài)情況下，流道內(nèi)反應(yīng)氣體的完整傳輸過(guò)程由對(duì)流擴(kuò)散方程表示：

式中，x和y分別表示垂直電池極板方向和沿流道方向；C_GDL為GDL內(nèi)的反應(yīng)氣摩爾濃度；C_ch為流道內(nèi)的氣體摩爾濃度，不考慮流道截面上的氣體濃度差異，此處C_ch僅在y方向上變化；u_ch為流道內(nèi)的氣體流速；d_ch為流道深度；為GDL內(nèi)氣體的有效擴(kuò)散系數(shù)，式中等號(hào)左側(cè)為垂直極板的x方向上通過(guò)流道進(jìn)入氣體擴(kuò)散層的反應(yīng)氣體流通量；等號(hào)右側(cè)兩項(xiàng)依次為流道內(nèi)氣體的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)，

從流道上游到下游，流道被劃分為N個(gè)相同尺寸的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流密度不同，但均滿足：

式中，I_k為各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流密度；q_k為單位面積反應(yīng)速率；F為法拉第常數(shù)；陽(yáng)極氫氣反應(yīng)的n＝2，陰極氧氣反應(yīng)的n＝4，

將變量依次無(wú)量綱化為：結(jié)合公式(1-1)和(1-2)得到無(wú)量綱方程為：

式中，L_ch為流道特征長(zhǎng)度，取值為電池的極板長(zhǎng)度；流道內(nèi)對(duì)流強(qiáng)度和擴(kuò)散強(qiáng)度的相對(duì)大小可以由傳質(zhì)佩克萊數(shù)Pe表征；

當(dāng)流道內(nèi)對(duì)流占主導(dǎo)時(shí)，忽略流道內(nèi)氣體擴(kuò)散的作用，將方程簡(jiǎn)化為：

由(1-5)式求出的流道氣體濃度分布為線性分布，結(jié)果適用于每個(gè)流道節(jié)點(diǎn)內(nèi)；在節(jié)點(diǎn)1入口處有：代入微分方程(1-5)可求得節(jié)點(diǎn)1內(nèi)氣體濃度分布；后續(xù)節(jié)點(diǎn)入口邊界條件可以由上一節(jié)點(diǎn)求得的出口濃度給定；各節(jié)點(diǎn)內(nèi)特征濃度可由該節(jié)點(diǎn)進(jìn)出口平均濃度表示；

(2)求解沿流道的局部電流密度和電池輸出電壓

流道各節(jié)點(diǎn)的局部電流密度I_k和輸出電壓V作為待求量，共有N+1個(gè)變量，變量滿足：電池總的平均電流密度為給定值I；電池各節(jié)點(diǎn)處陰陽(yáng)極電勢(shì)差相等，這兩個(gè)關(guān)系由下式(2-1)和(2-2)表示：

式中，下標(biāo)k為節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)；Ω_k為第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的面比電阻；分別為陽(yáng)極/陰極活化過(guò)電勢(shì)，并且是電流密度I_k的函數(shù)，

對(duì)公式(2-1)和(2-2)聯(lián)立求解得出各節(jié)點(diǎn)的局部電流密度和輸出電壓；

(3)順逆流進(jìn)氣模式下，準(zhǔn)二維模型的迭代求解

前述步驟(1)和(2)中的流道內(nèi)反應(yīng)氣體濃度和電流密度I_k相互耦合，采用迭代方法進(jìn)行求解：

(3.1)迭代變量初始化

采用給定的總平均電流密度I先代入一維模型計(jì)算出一維穩(wěn)態(tài)解，用計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)解對(duì)準(zhǔn)二維模型中各節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行初始化，各節(jié)點(diǎn)局部電流密度I_k用I初始化；

(3.2)代入各節(jié)點(diǎn)電流密度I_k，根據(jù)步驟(1)更新流道內(nèi)濃度邊界條件；

(3.3)由各節(jié)點(diǎn)電流密度和更新后的流道內(nèi)濃度邊界條件計(jì)算對(duì)應(yīng)x方向上的物理量分布；

(4)由求解出的物理量，根據(jù)步驟(2)求出下一個(gè)迭代步的電流密度I_k^*；

(5)重復(fù)求解步驟(3.2)-(3.4)，直到連續(xù)兩次計(jì)算出的電流密度相對(duì)誤差小于殘差：

模型在順逆流進(jìn)氣模式下，默認(rèn)沿流道方向y是陽(yáng)極入口到出口，陰陽(yáng)極流道節(jié)點(diǎn)均由陽(yáng)極入口到出口方向進(jìn)行劃分和編號(hào)；順流模式下，陰極流道內(nèi)氧氣濃度的邊界條件為已知的第1節(jié)點(diǎn)的入口濃度，而在逆流模式下，該邊界條件應(yīng)調(diào)整為已知的第5節(jié)點(diǎn)的入口濃度；由此實(shí)現(xiàn)順逆流進(jìn)氣模式下質(zhì)子交換膜燃料電池沿流道方向的局部性能參數(shù)和物理量的求解。