[发明专利]一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质

说明书

本发明公开了一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质，所述方法包括如下步骤：建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型；将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合；设置计算域的边界条件；对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解；对有序化电极的氧传输特性进行评估。本发明通过建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型，既可以反应局部氧传输过程，又可以从宏观反应电池的传热传质和电化学性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质。

背景技术

质子交换膜燃料PEMFC因其高功率密度、高能量效率、零排放等优势，被视为最有希望的清洁能源转换装置，尽管该技术在过去几十年中取得了重大进展，但该技术的广泛商业化仍然受到成本高、功率密度不足和耐用性低等问题的阻碍。质子交换膜燃料电池阴极侧的氧还原反应ORR动力学缓慢，短期内仍需使用贵金属铂Pt催化剂，导致成本难以进一步降低，因此，在保证电池性能的同时降低贵金属铂的负载至关重要。

研究发现，降低铂催化剂负载时，质子交换膜燃料电池会由于氧传输阻力(Oxygentransport resistance，OTR)的急剧增加而遭受相当大的性能损失。构建有序化催化剂层可以有效地提高传质性能和铂催化剂利用率，可以在保持燃料电池性能的同时大幅减少铂负载。

使用数值仿真方法可以用来研究质子交换膜燃料电池中的包括电化学和传热传质在内的多物理场问题，帮助进一步理解有序化电极中的电化学过程和传热传质过程，从而帮助设计燃料电池电极和优化运行条件。

传统的数值仿真研究通常使用结块模型来计算燃料电池催化剂层内的传质和电化学反应。结块模型建立在使用多孔碳载铂催化剂的基础上，认为离聚物和多孔碳载铂催化剂容易形成团聚体。然而，有序化催化剂层与传统的多孔碳载铂催化剂结构不同，有序化催化剂层由特性形状单元的载体有序构成，可以避免类似多孔碳载铂催化剂的团聚现象，因此使用常规的团聚模型并不适用于模拟计算有序化催化剂的物质传输和电化学反应。另一方面，传统的结块模型只考虑氧气从催化剂层内的孔隙至团聚体的界面传质阻力，没有充分考虑团聚体内更为详细和准确的传质过程，如离聚物至催化剂表面的局部氧传输过程等。因此，建立包含局部氧传输过程的微观模型和宏观燃料电池模型的多尺度模型对于准确模拟燃料电池的多物理场过程至关重要。

从氧传输阻力评估方法来说，质子交换膜燃料电池传质阻力通常由极限电流法测得，可以将传质阻力分为体相传质阻力和局部传质阻力。极限电流法有下述两个局限：1、燃料电池通常在非极限电流工况下运行，极限电流法测得的氧传输阻力特性并不能直接用来代表燃料电池氧传输特性，研究的重点应该是非极限电流工况；2、极限电流法只能够测得总的局部氧传输阻力，无法评估局部氧传输各个过程的影响，而理解局部氧传输过程至关重要，可以帮助优化设计电极结构，提升在低铂载量的燃料电池的性能。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种燃料电池数值模拟方法。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

一种燃料电池数值模拟方法，所述方法包括如下步骤：

建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型；

将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合；

设置计算域的边界条件；

对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解；

对有序化电极的氧传输特性进行评估。

进一步的，采用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、气体组分守恒方程、电子守恒方程及质子守恒方程建立宏观尺度燃料电池模型。

进一步的，所述宏观尺度燃料电池模型包括：