[发明专利]一种质子交换膜燃料电池建模方法

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池建模方法，包括：活化过电压模型ηsubgt;act/subgt;，欧姆过电压模型ηsubgt;ohmic/subgt;，浓度过电压模型ηsubgt;con/subgt;，及内部电流/渗透损耗引起的电压降模型Esubgt;loss/subgt;。本技术方案提出因氢气渗透或内部电流而造成的PEMFC电压损失作为模型的计算部分，以及Esubgt;loss/subgt;的计算方法，通过本申请的PEMFC建模方法，使得PEMFC模型架构搭建更合理，更符合质子交换膜燃料电池工作机理，模型仿真计算更准确。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，指电池氢燃料电池技术领域，特别是指一种质子交换膜燃料电池建模方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(以下称PEMFC)模型的建立是为了得到PEMFC的各种工作特征的关系，它在燃料电池与辅助系统的设计和开发过程中起着重要的作用，一个准确的模型是能够预测燃料电池的性能。

PEMFC由燃料(H2)和氧化剂(O2)反应生成液态水，其对应的理论热力学电动势为E_Nernst，也是燃料电池的理论电压。实际情况下，当电池回路有电流通过时，在电池内部会发生相应的物理和化学反应，造成电压下降小于理论电压，这一过程又叫做极化现象。现有技术方案中认为PEMFC内部极化现象主要分为以下3种：1)活化极化；2)欧姆极化；3)浓度极化。故PEMFC电压依据电化学机理计算公式和以MATLAB/SIMULINK平台搭建的仿真模型分别如下：

V_CELL＝E_Nernst-η_act-η_ohmic-η_con  (1)

式中：E_Nernst为热力学电动势；η_act为活化过电压；η_ohmic为欧姆过电压；η_con为浓度过电压。

如图1所示，现有技术方案中PEMFC计算模型如上式(1)所示，只考虑活化η_act、欧姆η_ohmic和浓度极化η_con作用对质子交换膜燃料电池电动势的影响,忽略了氢气损耗/内部电流造成的电压损耗，最终对模型的准确性造成影响。实际工作中，燃料电池内部会有少量的氢气从阳极经过质子膜穿透到阴极，造成流经外路的电子减少，产生内部电流。这部分氢气渗透或内部电流的产生同样会造成电压的损耗，尤其是在开路电位或低电流密度下有显著影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池建模方法，以解决现有技术的PEMFC计算模型忽略了氢气损耗/内部电流造成的电压损耗，最终对模型的准确性造成影响的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种质子交换膜燃料电池建模方法，包括：

1)活化过电压模型η_act，

2)欧姆过电压模型η_ohmic，

3)浓度过电压模型η_con，及

4)内部电流/渗透损耗引起的电压降模型E_loss；

根据电化学反应机理，质子交换膜燃料电池建模单体电压表示为：

V_CELL＝E_Nernst-η_act-η_ohmic-η_con-E_loss。

燃料电池在开路状态下，E_loss＝E_Nernst-E_OCV，其中，Eocv为开路电压；