The invention discloses a method for establishing a three-dimensional two-phase model of a proton exchange membrane fuel cell full battery, which includes the global conservation equation, the liquid water distribution related conservation equation, the electrochemical reaction related conservation equation, the introduction of the catalyst layer polymer model, and the expression of the source term of the conservation equation. The gas concentration distribution, liquid water volume distribution, membrane water distribution and battery performance in PEMFC with catalyst particle volume fraction and electrolyte volume fraction in catalytic layer can be obtained by numerical calculation. Traditional models mostly neglect liquid water in the channel or neglect the influence of gas-liquid phase change in the channel. This model solves the equation of liquid water saturation in the channel and considers the process of gas-liquid phase change. After obtaining the liquid water distribution in the channel, the gas flow in the channel is reflected by the correction of the viscosity value in the gas momentum equation. It provides a good data base for further research.
【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池全电池三维两相模型建立方法
本专利技术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建立计算模型的方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有高功率密度、快速启动、高转换效率等优点，被广泛认为是一项很有前景的清洁能源技术。近年来，质子交换膜燃料电池在性能提升、燃料储存、动力供给等方面均取得了飞跃性的进展，但一些技术上的难题仍阻碍着质子交换膜燃料电池的商业化进程。质子交换膜燃料电池是通过内部的电化学反应直接将燃料(氢气)中的化学能转变为电能的装置，中间涉及了复杂的传质传热和反应机理，由此衍生出的水热管理、反应动力学限制以及贵金属催化剂带来的高成本问题一直困扰着质子交换膜燃料电池研究领域的学者们。在质子交换膜燃料电池的相关研究工作中，由于实验将耗费大量的人力物力，因此在多数情况下建模仿真成为了探究问题的重要手段。采用建模仿真手段能够可以观测到实验难以触及的电池内部物质输运与分布情况，能够为解决实际问题提供极具价值的信息，从而大幅降低电池优化设计过程中的实验成本。由于质子交换膜燃料电池内部传输过程的复杂性以及计算能力的限制，传统...
【技术保护点】
1.质子交换膜燃料电池全电池三维两相模型建立方法，其特征是：所述模型的建立包括：构建整体守恒方程、构建液态水分布相关守恒方程、构建电化学反应相关守恒方程、催化层聚合物模型引入、以及守恒方程源项的表达式，其步骤如下：(1)构建整体守恒方程流体域包括流道和多孔电极，多孔电极中包括气体扩散层、微孔层和催化层，(1.1)在流体域对气相构建连续性方程，
【技术特征摘要】
1.质子交换膜燃料电池全电池三维两相模型建立方法，其特征是：所述模型的建立包括：构建整体守恒方程、构建液态水分布相关守恒方程、构建电化学反应相关守恒方程、催化层聚合物模型引入、以及守恒方程源项的表达式，其步骤如下：(1)构建整体守恒方程流体域包括流道和多孔电极，多孔电极中包括气体扩散层、微孔层和催化层，(1.1)在流体域对气相构建连续性方程，其中ε表示多孔介质的孔隙度，流道中ε的值取1，ρ表示密度，表示速度矢量，Sm为连续性方程源项，下标g表示气相；(1.2)在流体域对气相构建动量守恒方程，其中s表示液态水体积分数，P表示压力，μ表示粘度系数，Su为动量守恒方程源项；(1.3)在流体域对气相构建组分守恒方程，其中Yi表示氢气、氧气或水蒸气中一种气体的质量分数，Dieff表示i种气体的有效扩散系数，Si为组分守恒方程源项，(1.4)在流体域、质子交换膜和极板构建能量守恒方程，Cp表示定压比热容，T表示电池工作温度，keff表示有效导热系数，ST为能量守恒方程源项；(2)构建液态水分布相关守恒方程(2.1)在流道中构建液态水体积分数守恒方程，假设流道内液态水以水雾形式存在，方程中液态水的速度取值与气体速度相等，Ss为液态水体积分数守恒方程源项；(2.2)在多孔电极中对液态水构建液压守恒方程，其中K表示固有渗透率，kl表示相对渗透率，μ表示粘度系数，Sl为液压守恒方程源项；(2.3)在多孔电极中利用Leverett-J方程求解液态水体积分数，其中Pc表示毛细压力，σ表示表面张力系数，θ表示多孔介质接触角，Kave表示平均渗透率，在气体扩散层中通过以下公式得到，其中Kin和Kthrough分别是气体扩散层在纤维束平面内和垂直纤维束平面的渗透率，在微孔层和催化层中Kave取常数；(2.4)在质子交换膜及催化层构建膜态水守恒方程，其中ρmem表示质子交换膜干态密度，λ表示膜态水含量，EW表示膜的等效质量，ω表示电解质体积分数，F表示法拉第常数，Iion表示离子电流密度矢量，表示膜态水有效扩散系数，Smw为膜态水守恒方程源项；(3)构建电化学反应相关守恒方程由催化层、微孔层、气体扩散层、极板构成电子传输部分，(3.1)对该部分构建电子电势守恒方程，其中表示有效电子电导率，Se为电子电势守恒方程源项；(3.2)在质子交换膜及催化层构建离子电势守恒方程，其中表示有效离子电导率，Sion为离子电势守恒方程源项，利用B-V方程求解电化学反应速率，i表示电化学反应速率，表示标准状态下的参考反应速率，和分别表示氢气和氧气摩尔浓度，上标ref表示参考浓度，α表示电化学反应的转移系数，R表示通用气体常数，η表示活化过电势；活化过电势取由守恒方程求出的电子电势和离子电势的差值，(3.3)利用能斯特方程计算可逆电压，其中Erev表示氢氧燃料电池热力学可逆电压，ΔG表示吉布斯自由能变，ΔS表示熵变，和分别表示氢气和氧气的进气分压，(4)催化层聚合物模型引入利用聚合物模型对质子交换膜燃料电池中参数和方程做出如下修正：(4.1)孔隙度的修正催化剂颗粒体积分数εPt/C计算如下，其中mPt表示催化剂用量，δCL表示催化层厚度，ρPt、ρC分别为铂和碳的密度，RatioPt/C为配制催化层时铂的用量占碳载铂总量的比例，(4.2)电解质体积分数根据下式计算，其中N表示单位催化层体积内聚合块的数目，ragg表示聚合块的半径，εagg表示聚合块内电解质占聚合块体积的比例，催化层孔隙度则为，εCL＝1-εPt/C-εN(4-4)(4.3)催化剂实际用量不同于传统均质模型直接给定参考反应速率，聚合物模型利用催化剂载量计算出单位催化层体积内催化剂表面积，并引入有效因子考虑结块中实际反应面积，然后与参考电流密度相乘作为B-V方程中的参考体积电流密度，具体计算过程如...
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