[发明专利]质子交换膜燃料电池瞬态过程模型建立的方法

说明书

本发明提出了一种建立质子交换膜燃料电池瞬态过程模型仿真的方法，沿电池垂直于极板方向，求得变工况下每一时刻电池内水瞬态变化、反应气体瞬态变化和电压瞬态变化，然后据此求得对应时刻的燃料电池输出电压，由此预测电池瞬态性能。具体步骤主要包括3个部分：电池内水瞬态变化过程；反应气体瞬态变化过程；电压瞬态变化过程。从燃料电池电化学机理、水管理和传质分析角度建立的全电池瞬态模型，具有对燃料电池性能分析准确性高，研究性强的特点，同时采用显式解法以保证高计算效率。该模型可用于预测电池在瞬态过程中的性能变化，燃料电池在变工况运行下达到稳定的响应时间，还能从反应物和水输运过程探明燃料电池性能波动和衰退的原因。

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种用于对燃料电池的性能进行预测计算的方法。

背景技术

目前我国交通能耗约占社会总能耗的20％，且比例呈逐年上升，城市内汽车尾气更被认为是造成空气污染和产生雾霾的重要原因。燃料电池以氢气为燃料，生成物为水，所以质子交换膜燃料电池被视为汽车的理想动力源，是解决尾气排放问题的有效手段。

汽车在城市运行过程中发动机处于变工况运行，燃料电池动态响应较慢和变工况下燃料电池性能衰退是燃料电池应用于车载动力的最大难题。测试燃料电池的瞬态性能和寿命，已成为考查电池设计是否合理、技术能否成熟的重要鉴定标准。通过对电池内反应物的运输和水管理方法进行仿真(电池变工况过程)，能预测该电池在瞬态过程中的性能变化，还能从反应物和水输运过程探明性能波动和衰退的原因。本发明所提出的质子交换膜燃料电池瞬态过程仿真的建模方法，主要应用于燃料电池的开发和测试阶段，为提升电池瞬态性能提出数据依据。

发明内容

本发明的目的是，提出一种建立质子交换膜燃料电池瞬态过程模型仿真的方法，为研究变工况下，质子交换膜燃料电池反应气体、水的瞬态过程和电池瞬态性能提供方法。

构建的模型包括电池内水的瞬态响应、反应气体的瞬态响应、电压瞬态响应三部分性能预测计算。

沿电池垂直于极板方向，求得变工况下每一时刻电池内水瞬态变化、反应气体瞬态变化和电压瞬态变化，然后据此求得对应时刻的燃料电池输出电压，由此预测电池瞬态性能，其具体步骤为：

(1)电池内水瞬态变化过程

该过程包括：阳极催化层水蒸气和阴极催化层液态水。

阳极催化层水蒸气：

阴极催化层液态水：

式中，微孔层和催化层间的有效水蒸气扩散率与微孔层和催化层间的渗透率K_l,mpl-cl分别为：

由式1-1求出当前时刻阳极催化层水蒸气浓度由式1-2求出阴极催化层液态水体积分数将各个时刻的阳极水蒸气浓度和阴极液态水体积分数绘制成曲线，得到瞬态过程中水分布的变化。

(2)反应气体瞬态变化过程

该过程包括：阳极催化层氢气浓度和阴极催化层氧气浓度。

阳极催化层氢气浓度：

阴极催化层氧气浓度：

式中，微孔层和催化层间的有效氢气扩散率与微孔层和催化层间的有效氧气扩散率分别为：