[發明專利]質子交換膜燃料電池準二維模型建立方法

有效

• 申請號: 201910162441.4
• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN109873186B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 焦魁;蔣楊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M8/04298
• 分類號: H01M8/04298;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

本發明公開了一種建立質子交換膜燃料電池的準二維模型建立方法，該模型的建立主要包括：求解流道內傳質方程、求解沿流道的局部電流密度和電池輸出電壓、順逆流進氣模式下，準二維模型的迭代求解等。由于電池運行時由于反應氣體的消耗，沿流道方向存在反應氣濃度的下降，催化層反應速率的變化使得電池沿流道方向各節點電流密度不同。模型考慮了沿流道方向的實際反應氣體濃度分布，能夠更好地反映電池運行的局部特性，使模型物理過程更完整，提高了模型的準確性和應用價值，特別有助于電堆及系統級燃料電池模型的開發，推動燃料電池實際應用領域的發展。模型的求解方法具有更好的收斂性和計算效率，有助于模型快速穩定地對電池運行情況進行預測。

技術領域

本發明屬于電化學燃料電池領域，具體涉及一種對質子交換膜燃料電池準二維模型的建立方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池具有效率高、零排放、低溫啟動等優點，因此被廣泛認為有很好的發展潛力和應用前景。相比燃料電池的實驗測試，計算機仿真能夠有效減少研發周期和成本，并且避免了實驗測試的諸多干擾因素，因此將其作為研發手段之一。

目前，燃料電池模型的建立方式主要有兩種：一種是通過現有的計算流體力學(CFD)軟件，分析燃料電池內部的質量、動量、能量和電荷傳輸過程；另一種是在一定的假設基礎上對電池的控制方程進行解析求解。然而，這兩種模型建立方式都存在各自的弊端：前者雖然考慮的物理化學過程完整，且仿真工具較成熟，但模型的計算時間長、效率低，因此很難適用于燃料電池的研發；后者的計算效率高，能滿足企業仿真工作者對于快速預測電池性能和運行情況的需求，但因模型做了不同程度的簡化，其仿真結果的準確性受到一定影響，這直接決定了模型的實際應用價值。

為了解決上述問題，一種思路是開發出電化學反應機理和傳輸過程完整的解析模型。目前的解析模型多為一維模型，僅考慮了垂直于電池極板方向上的變化，而忽略了流道內部的氣體濃度分布。工程實踐證明，流道的結構設計和流道內進氣方式的改變對于電池性能的影響是顯著的，因此開發出一種考慮了流道配氣的電池模型顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的是提供一種質子交換膜燃料電池的準二維模型建立方法，能夠對流道內的反應氣體傳輸方程以及沿流道方向的局部電流密度分布進行求解，且能夠對順逆流兩種不同配氣方式下的電池運行情況進行分析。

建立質子交換膜燃料電池的準二維模型建立方法的具體步驟如下：

(1)求解流道內傳質方程

穩態情況下，流道內反應氣體的完整傳輸過程可以由對流擴散方程表示：

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(mol m^-3)為氣體擴散層(GDL)內的反應氣摩爾濃度；C_ch為流道內的氣體摩爾濃度，由于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(m s^-1)為流道內的氣體流速；d_ch(m)為流道深度；和D_ch(m³ s^-1)分別為GDL和流道(ch)內氣體的有效擴散系數。

等號左側為垂直極板方向上(x方向)通過流道進入氣體擴散層的反應氣體流通量；等號右側兩項依次為流道內氣體的對流項和擴散項；

從流道上游到下游，流道被劃分為N個相同尺寸的節點，各個節點對應的電流密度不同，但均滿足：

上式中，I_k為各節點對應的電流密度；q_k(mol m^-2s^-1)為單位面積反應速率；F為法拉第常數；陽極氫氣反應的n＝2，陰極氧氣反應的n＝4；