[发明专利]质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立方法

摘要

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立的方法，包含以下四个步骤：(1)根据阳极尾气循环物理过程计算并更新阳极流道入口条件；(2)求解每一时刻流道内各处流速，氢气，水蒸气和氮气浓度；(3)求解每一时刻多孔电极方向氮气跨膜量和膜态水含量；(4)求解每一时刻电池各处局部电流密度和输出电压。该模型的建立可用来解决燃料电池(车)阳极尾气循环技术所产生的问题，包括优化电池自增湿手段和尾气循环造成的阳极氮气集聚等。可用于模拟不同电池结构，材料参数以及不同工况下电池自增湿效果，在此基础上可以量化提出有效的电池自增湿方案；并分析阳极氮气集聚对电池性能造成的影响。

主权项

1.质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立的方法，其中(1)利用多孔电极方向反应气体和水蒸气浓度瞬态变化，求解阳极催化层内当前时刻氢气浓度当前时刻氧气浓度和当前时刻水蒸气浓度(2)求解阴极催化层内当前时刻液态水体积分数(3)利用电化学反应机理求得活化损失η_act,a、欧姆损失η_ohm、和质子电导率σ_m，其特征是：所述质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立的方法，模型的建立包含以下步骤：(1)计算并更新阳极流道入口条件；(2)求解每一时刻流道内各处流速，氢气，水蒸气和氮气浓度；(3)求解每一时刻多孔电极方向氮气跨膜量和膜态水含量；(4)求解每一时刻电池各处局部电流密度和输出电压，其具体方法如下：(1)阳极流道入口条件阳极出口水蒸气通量：阳极出口氮气通量：式中：分别为该时刻阳极流道出口水蒸气和氮气通量；为出口流速；分别为出口水蒸气和氮气浓度，阳极入口各气体组分浓度及流速：入口氢气浓度：入口水蒸气浓度：入口氮气浓度：入口流速：上面式中：分别为阳极流道入口氢气，水蒸气和氮气浓度；I_ave为电池平均电流密度；F为法拉第常数；A_act为电池活化面积；A_in为流道截面积；ST_a为氢气供给化学计量比；c_gas为进气总浓度，(2)求解流道内流速和各气体浓度求解过程包括每一时刻求解流道内各处流速，氢气，水蒸气和氮气浓度，流速：式中：为当前时刻阳极流道方向n网格处流速，为上一时刻n‑1网格处流速；和分别为氢气，水蒸气和氮气由阳极流道流入扩散层的通量；N为沿流道方向网格数目，氢气浓度：水蒸气浓度：氮气浓度：式中：分别为当前时刻阳极流道方向n网格处氢气，水蒸气和氮气浓度，分别为上一时刻n网格处氢气，水蒸气和氮气浓度，分别为上一时刻n‑1网格处氢气，水蒸气和氮气浓度，(3)求解每一时刻多孔电极方向氮气跨膜量和膜态水含量(3.1)求解氮气跨膜量和阳极催化层内氮气浓度：氮气跨膜通量与膜两侧氮气分压差相关：氮气跨膜速率取决于膜态水含量和温度：式中：为氮气跨膜通量；为氮气跨膜速率；分别为阴极和阳极氮气分压；δ_m为质子交换膜厚度；为电池尺度系数，常取8；λ_m为质子交换膜膜态水含量；V_w，V_m分别为液态水和干态膜的摩尔体积，(3.2)求解阳极催化层内当前时刻第n个网格处氮气浓度：式中：为阳极催化层内当前时刻第n个网格处氮气浓度；为阳极微孔层和催化层间氮气有效扩散率，求解阳极催化层内当前时刻氢气浓度当前时刻氧气浓度和当前时刻水蒸气浓度(3.3)阳极催化层内当前时刻第n个网格处氢气浓度：(3.4)阳极催化层内当前时刻第n个网格处水蒸气浓度：式中：为阳极催化层内当前时刻第n个网格处水蒸气浓度；为阳极催化层内上一时刻第n个网格处水蒸气浓度；为阳极微孔层和催化层间水蒸气有效扩散率；K_l,m为质子交换膜的渗透率；μ_l为水的动力粘度；D_m为膜态水扩散率；n_d为电渗拖拽系数，(3.5)求解阴极催化层内当前时刻第n个网格处氧气浓度：式中：为阴极催化层内当前时刻第n个网格处氧气浓度；求解阴极催化层内当前时刻第n个网格处液态水体积分数：式中：为阴极催化层内当前时刻第n个网格处液态水体积分数；(3.6)质子交换膜和催化层内膜态水含量求解：膜态水含量：阳极催化层水活度：阴极催化层水活度：a_ccl＝1+2s_ccl     (3‑11)质子交换膜水活度：式中：λ为膜态水含量；(4)求解每一时刻电池各处局部电流密度和输出电压电池输出电压：V_out＝E_rev‑η_ohm‑η_act,a‑η_act,c   (4‑1)可逆电压E_rev由能斯特方程求得：活化损失η_act,a，η_act,c由Tafel公式求得：欧姆损失η_ohm：η_ohm＝I_aveR_tot    (4‑5)质子电导率σ_m：在此基础上，依据沿流道各处输出电压V相同的特征，可列出N个方程，输出平均电流密度I_ave给定，共计N+1个方程，联立方程组：式中：I^[0]，I^[1]，I^[N‑1]分别为沿流道0,1，N‑1,网格处局部电流密度，I_ave为整个电池平均电流密度，联立上述方程组，最终可获得沿流道各处局部电流密度和输出电压。