[发明专利]质子交换膜燃料电池准二维模型建立方法

说明书

本发明公开了一种建立质子交换膜燃料电池的准二维模型建立方法，该模型的建立主要包括：求解流道内传质方程、求解沿流道的局部电流密度和电池输出电压、顺逆流进气模式下，准二维模型的迭代求解等。由于电池运行时由于反应气体的消耗，沿流道方向存在反应气浓度的下降，催化层反应速率的变化使得电池沿流道方向各节点电流密度不同。模型考虑了沿流道方向的实际反应气体浓度分布，能够更好地反映电池运行的局部特性，使模型物理过程更完整，提高了模型的准确性和应用价值，特别有助于电堆及系统级燃料电池模型的开发，推动燃料电池实际应用领域的发展。模型的求解方法具有更好的收敛性和计算效率，有助于模型快速稳定地对电池运行情况进行预测。

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种对质子交换膜燃料电池准二维模型的建立方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有效率高、零排放、低温启动等优点，因此被广泛认为有很好的发展潜力和应用前景。相比燃料电池的实验测试，计算机仿真能够有效减少研发周期和成本，并且避免了实验测试的诸多干扰因素，因此将其作为研发手段之一。

目前，燃料电池模型的建立方式主要有两种：一种是通过现有的计算流体力学(CFD)软件，分析燃料电池内部的质量、动量、能量和电荷传输过程；另一种是在一定的假设基础上对电池的控制方程进行解析求解。然而，这两种模型建立方式都存在各自的弊端：前者虽然考虑的物理化学过程完整，且仿真工具较成熟，但模型的计算时间长、效率低，因此很难适用于燃料电池的研发；后者的计算效率高，能满足企业仿真工作者对于快速预测电池性能和运行情况的需求，但因模型做了不同程度的简化，其仿真结果的准确性受到一定影响，这直接决定了模型的实际应用价值。

为了解决上述问题，一种思路是开发出电化学反应机理和传输过程完整的解析模型。目前的解析模型多为一维模型，仅考虑了垂直于电池极板方向上的变化，而忽略了流道内部的气体浓度分布。工程实践证明，流道的结构设计和流道内进气方式的改变对于电池性能的影响是显著的，因此开发出一种考虑了流道配气的电池模型显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池的准二维模型建立方法，能够对流道内的反应气体传输方程以及沿流道方向的局部电流密度分布进行求解，且能够对顺逆流两种不同配气方式下的电池运行情况进行分析。

建立质子交换膜燃料电池的准二维模型建立方法的具体步骤如下：

(1)求解流道内传质方程

稳态情况下，流道内反应气体的完整传输过程可以由对流扩散方程表示：

式中，x和y分别表示垂直电池极板方向和沿流道方向；C_GDL(mol m^-3)为气体扩散层(GDL)内的反应气摩尔浓度；C_ch为流道内的气体摩尔浓度，由于不考虑流道截面上的气体浓度差异，此处C_ch仅在y方向上变化；u_ch(m s^-1)为流道内的气体流速；d_ch(m)为流道深度；和D_ch(m³ s^-1)分别为GDL和流道(ch)内气体的有效扩散系数。

等号左侧为垂直极板方向上(x方向)通过流道进入气体扩散层的反应气体流通量；等号右侧两项依次为流道内气体的对流项和扩散项；

从流道上游到下游，流道被划分为N个相同尺寸的节点，各个节点对应的电流密度不同，但均满足：

上式中，I_k为各节点对应的电流密度；q_k(mol m^-2s^-1)为单位面积反应速率；F为法拉第常数；阳极氢气反应的n＝2，阴极氧气反应的n＝4；