质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法，构建的模型包括垂直于极板方向的一维模型和1+1+1维的准三维模型，构建垂直于极板方向的一维模型具体包括四个步骤：确定电池输出电压、确定欧姆损失、确定活化损失、以及水管理；1+1+1维准三维模型在垂直于极板方向一维模型的基础上，增加了沿电池流道方向和垂直于流道的肋板方向。求解反应物和水的质量守恒方程，得到的电池各层内平均液态水体积分数和催化层内反应物浓度，由此求出欧姆损失和活化损失，调节电流密度、温度、进气相对湿度等工况，可预测不同工况下质子交换膜燃料电池的输出电压。质子交换膜燃料电池性能预测模型的建立，将有效节约开发经费并缩短开发周期。

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法
本专利技术属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、零排放等优点，被视为最有希望应用于汽车动力的功率源，其技术发展深受到国内外研究者的重视。为保证PEMFC具有稳定可靠的性能(包括交换膜的高质子电导率、反应物的输送及产物的排出等)，研究PEMFC内部各层的水、氢气及氧气传输过程，进而对电池内提供良好的水管理至关重要，为PEMFC性能的提升提供指导。燃料电池仿真建模作为燃料电池研究的重要手段，不仅对电池适宜工况和电池材料进行初步筛选；还能从电池内物质运输和电化学反应机理的角度分析电池性能差异的原因，为优化电池设计、提升电池性提供保障。质子交换膜燃料电池阳极供给氢气，阴极供给氧气，维持催化层内反应物的高浓度，保证反应气体高效运输到催化层是确保电池性能的关键。除氢气氧气，电池内适当的水分布也十分重要，既要使质子交换膜具有相当的湿度以保证高质子电导率，还要避免阴极水淹的发生。目前的预测方法大多从系统控制的角度对燃料电池的输出电压进行预测，忽略了电池内物质分布和电化学反应机理对电池性能的影响。由于此类模型缺乏物质运输机理，诸多电池的运行工况参数和实际具备的材料参数均在模型中无法体现，无法研究工况和电池设计参数对电池性能的影响。建立准确有效并兼具短运算周期的燃料电池模型，将有效节约开发经费并缩短开发周期。能全面研究电池性能的三维数值模型，存在对计算能力要求高，计算周期长等问题，需要使用高计算性能的工作站计算，仅计算单个工况就需要一天的时间，这不利于模型在工程实际中的应用，电池设计初期需要能够快速预测电池设计参数对其性能影响的模型。依据电化学反应机理、电池内传质分析和水管理方法，本专利技术提供了一种能快速准确质子交换膜燃料电池性能的模型方法。既可建立垂直于极板方向的一维解析模型，也可用于建立3个一维叠加的准三维解析模型。准三维模型较三维数值模型计算周期大大缩短，拓宽研究内容而不会增加过多计算量。
技术实现思路
本专利技术的目的是，依据电化学机理以及电池内传质分析理论，提供一种快速准确预测质子交换膜燃料电池性能模型建立的方法，可用于测试多种工况和设计参数对电池性能的影响。所构建的模型包括垂直于极板方向的一维模型、和1+1+1维的准三维模型。其中构建垂直于极板方向的一维模型其具体包括四个步骤：确定电池输出电压、确定欧姆损失、确定活化损失、以及水管理，以下予以说明。(1)确定电池输出电压Eout＝Erev-ηohm-ηact1-1其中Eout表示电池输出电压；Erev表示可逆电压；ηohm表示电压的欧姆损失；ηact表示电压的活化损失，欧姆损失和活化损失中包含了因反应物浓度和水损耗造成的电压损耗。可逆电压由能斯特方程求得：只要求得欧姆损失和活化损失两部分，由1-1可求得电池输出电压。(2)确定欧姆损失(2.1)欧姆损失包括极板、多孔介质层和质子交换膜造成的欧姆损失之和，即：其中ηohm，P、ηohm，por和ηohm，m分别为极板、多孔介质层和质子交换膜造成的欧姆过电势；I为电流密度；分别为流道极板和多孔介质各层传输电子的面电阻；分别为催化层和质子交换膜内传输质子的面电阻。电阻的求解通式：Ω＝L/σeff2-2其中L为传输距离，也表示厚度；σeff为有效电导率。下一步需要求出各层内电子有效电导率以及催化层和质子交换膜内质子电导率。(2.2)多孔介质层中电子有效电导率多孔介质中变量有效值常采用Bruggemann修正，修正系数采用1.5：对于扩散层或微孔层或催化层：式中表示电子的有效电导率；σs为电子固有电导率；ε为孔隙率。(2.3)质子交换膜和催化层中质子有效电导率式中为催化层中质子有效电导率；Xm为催化层内电解质Nafion体积分数；σm为质子交换膜Nafion的质子电导率。σm取决于Nafion中含水量：其中λ为Nafion含水量。其中a为水活度，对于催化层：ac1＝RH+2s2-7其中RH为催化层内气体的相对湿度，s为催化层孔隙内液态水体积分数；对于质子交换膜，水活度aaver近似等于阳极催化层和阴极催化层内水活度的平均值：(3)确定活化损失(3.1)活化损失的解析解：其中ηact，ano，ηact，cat分别代表阳极和阴极活化过电势；R为理想气体常数；T为工况温度；α为电荷传输系数；n为单位反应中传输的电子数；j0，ref为参考电流密度；分别为实际情况下阳极催化层内氢气浓度和阴极催化层内氧气浓度；分别为参考氢气浓度和参考氧气浓度。(3.2)催化层内气体浓度：电池内多孔介质结构中氢气、氧气扩散传输方式遵循菲克定律：阳极和阴极各包含四个求解域，分别是流道、扩散层、微孔层、催化层。阳极催化层氢气浓度：其中是微孔层、催化层交界面处氢气浓度；是催化层、质子交换膜交界面处氢气浓度；为阳极催化层内氢气有效扩散系数，由Bruggemann修正得单位为m2/s；δCL为催化层厚度，单位为m。阳极催化层氢气平均浓度：阴极催化层氧气浓度：其中是微孔层、催化层交界面处氧气浓度；是催化层、质子交换膜交界面处氧气浓度；为阴极催化层内氧气有效扩散系数。阴极催化层氧气平均浓度：流道、扩散层、微孔层区域的反应气体控制方程可类似列出，然后结合阳极流道内氢气浓度和阴极流道内氧气浓度的边界条件，可求得催化层内反应气体真实浓度。(4)水管理水跨膜运输方式包含电渗拖拽、膜态水扩散和压差扩散三种形式。电渗拖拽效应表现为质子跨膜运输，同时会拖拽一定量的水从阳极到阴极，电渗拖拽系数nd为伴随每个质子由阳极到阴极跨膜的水分子数目：膜态水扩散系数Dm的计算方法如下：对于阳极催化层水守恒方程：其中Jvap水蒸气运输通量；cvap，MPL-CL是阳极微孔层、催化层交界面水蒸气浓度；cvap，CL-PEM是催化层、质子交换膜交界面水蒸气浓度；为催化层内水蒸气有效扩散率；ρdry为干态膜密度；EW为质子交换膜的当量质量；λaclλccl分别为阳极和阴极催化层模态水含量；Km为膜的渗透率；分别为阳极和阴极催化层液态水压力。对于阴极催化层水守恒方程：其中ρl为液态水密度；为水摩尔质量；sccl为阴极催化层液态水体积分数；εccl为阴极催化层孔隙率；Kl，cl为催化层水的渗透率；μl为水的动力粘度；是阴极催化层、质子交换膜交界面的液压；是阴极微孔层、催化层交界面的液压；Jl为液态水流通量。扩散层，微孔层区域的水控制方程可类似列出，由假设中流道内无液态水，结合阳极流道内水蒸气浓度和阴极流道与扩散层交界面处液压等于一个大气压的边界条件，求得阳极各层水蒸气浓度和阴极各层交界面液压。由Leverett方程得出多孔介质内毛细压力pc和液态水体积分数s的关系：Pc＝Pg-Pl4-7其中表面张力系数；θ为多孔介质接触角，求得的液压Pl，然后求出电池内各部分液态水体积分数s。将步骤(4)得到的电池内水分布情况带入步骤(2)、步骤(3)中，由前述公式2-1、3-1、和3-2可求出欧姆损失和活化损失，带入公式1-1，最终求得所述一维模型的电池预测输出电压。1+1+1准三维模型包含x方向垂直于极板方向、y方向沿流道方向、z方向垂直于流道和肋板，三个方向的叠加。X方向的本文档来自技高网...

【技术保护点】
质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法，其特征是：所构建的模型包括垂直于极板方向的一维模型、和1+1+1维的准三维模型，其中构建垂直于极板方向的一维模型其具体步骤方法包括：(1)确定电池输出电压E

【技术特征摘要】
1.质子交换膜燃料电池性能预测模型建立的方法，其特征是：所构建的模型包括垂直于极板方向的一维模型、和1+1+1维的准三维模型，其中构建垂直于极板方向的一维模型其具体步骤方法包括：(1)确定电池输出电压Eout＝Erev-ηohm-ηact1-1其中Eout表示电池输出电压；Erev表示可逆电压；ηohm表示电压的欧姆损失；ηact表示电压的活化损失，欧姆损失和活化损失中包含了因反应物浓度和水损耗造成的电压损耗，可逆电压由能斯特方程求得：式中：Erev为可逆电压；ΔG为吉布斯自由能变；F为法拉第常数；ΔS为熵变；R为理想气体常数；T为工况温度；Tref为参考温度；分别为阳极催化层氢气压力和阴极催化层氧气压力；只要求得欧姆损失和活化损失两部分，由1-1可求得电池输出电压，(2)确定欧姆损失(2.1)欧姆损失包括极板、多孔介质层和质子交换膜造成的欧姆损失之和，即：其中ηohm,P、ηohm,por和ηohm,m分别为极板、多孔介质层和质子交换膜造成的欧姆损失；I为电流密度；分别为流道极板和多孔介质各层传输电子的面电阻；分别为催化层和质子交换膜内传输质子的面电阻，电阻的求解通式：Ω＝L/σeff2-2其中L为传输距离，也表示厚度；σeff为有效电导率，下一步需要求出各层内电子有效电导率以及催化层和质子交换膜内质子电导率，(2.2)多孔介质层中电子有效电导率多孔介质中变量有效值常采用Bruggemann修正，修正系数采用1.5：对于扩散层或微孔层或催化层：式中表示电子的有效电导率；σs为电子固有电导率；ε为孔隙率，(2.3)质子交换膜和催化层中质子有效电导率式中为催化层中质子有效电导率；Xm为催化层内电解质Nafion体积分数；σm为质子交换膜Nafion的质子电导率，σm取决于Nafion中含水量：其中λ为Nafion含水量。其中a为水活度，对于催化层：acl＝RH+2s2-7其中RH为催化层内气体的相对湿度，s为催化层孔隙内液态水体积分数；对于质子交换膜，水活度aaver近似等于阳极催化层和阴极催化层内水活度的平均值：(3)确定活化损失(3.1)活化损失的解析解：其中ηact,ano，ηact,cat分别代表阳极和阴极活化过电势；α为电荷传输系数；n为单位反应中传输的电子数；j0,ref为参考电流密度；分别为参考氢气浓度和参考氧气浓度；分别为参考氢气浓度和参考氧气浓度，(3.2)催化层内气体浓度：电池内多孔介质结构中氢气、氧气扩散传输方式遵循菲克定律：阳极和阴极各包含四个求解域，分别是流道、扩散层、微孔层、催化层，阳极催化层氢气浓度：其中是微孔层、催化层交界面处氢气浓度；是催化层、质子交换膜交界面处氢气浓度；为阳极催化层内氢气有效扩散系数，由Bruggemann修正得δCL为催化层厚度，阳极催化层氢气平均浓度：阴极催化层氧气浓度：其中是微孔层、催化层交界面处氧气浓度；是催化层、质子交换膜交界面处氧气浓度；为阴极催化层内氧气有效扩散系数，阴极催化层氧气平均浓度：流道、扩散层、微孔层区域的反应气体控制方程可类似列出，然后结合阳极流道内氢气浓度和阴极流道内氧气浓度的边界条件，可求得催化层内反应气体真实浓度，(4)水管理水跨膜运输方式包含电渗拖拽、膜态水扩散和压差扩散三种形式，电渗拖拽效应表现为质子跨膜运输，同时会拖拽一定量的水从阳极到阴极，电渗拖拽系数nd为伴随每个质子由阳极到阴极跨膜的水分子数目：膜态水扩散系数Dm的计算方法如下：对于阳极催化层水守恒方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：焦魁，王博文，蒋杨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12