质子交换膜燃料电池准二维模型建立方法技术

本发明专利技术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。

Quasi-Two-Dimensional Model Establishment Method for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

The invention discloses a method for establishing a quasi-two-dimensional model of proton exchange membrane fuel cell, which mainly includes solving the mass transfer equation in the flow channel, solving the local current density along the flow channel and the output voltage of the battery, and solving the quasi-two-dimensional model iteratively in the forward and backward flow inlet mode, etc. Because of the consumption of reactive gas, the concentration of reactive gas decreases along the flow channel. The current density of each node along the flow channel varies with the change of the reaction rate of the catalytic layer. The model takes into account the distribution of actual reactive gas concentration along the flow channel, which can better reflect the local characteristics of the battery operation, make the physical process of the model more complete, improve the accuracy and application value of the model, especially contribute to the development of stack and system-level fuel cell models, and promote the development of the practical application field of fuel cells. The solution method of the model has better convergence and computational efficiency, which is helpful for the rapid and stable prediction of battery operation.

【技术实现步骤摘要】
质子交换膜燃料电池准二维模型建立方法
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准二维模型的建立方法。
技术介绍
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种建立质子交换膜燃料电池的准二维模型建立方法，其特征是：所述模型建立的具体步骤如下：(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由对流扩散方程表示：

【技术特征摘要】
1.一种建立质子交换膜燃料电池的准二维模型建立方法，其特征是：所述模型建立的具体步骤如下：(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；CGDL为GDL内的反应气摩尔浓度；Cch为流道内的气体摩尔浓度，不考虑流道截面上的气体浓度差异，此处Cch仅在y方向上变化；uch为流道内的气体流速；dch为流道深度；为GDL内气体的有效扩散系数，式中等号左侧为垂直极板的x方向上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：式中，Ik为各节点对应的电流密度；qk为单位面积反应速率；阳极氢气反应的n＝2，阴极氧气反应的n＝4，将变量依次无量纲化为：结合公式(1-1)和(1-2)得到无量纲方程为：式中，Lch为流道特征长度，取值为电池的极板长度；流道内对流强度和扩散强度的相对大小可以由传质佩克莱数Pe表征:当流道内对流占主导时，忽略流道内气体扩散的作用，将方程简化为：由(1-5)式求出的流道气体浓度分布为线性分布，适用于每个流道节点内，在节点1入口处代入求得节点1内气体浓度分布，后续节点入口边界条件由上一节点求得的出口浓度给定，各节点内特征浓度由该节点进出口平均浓度表示；(2)求解沿流道的局部电流密度和电池输出电压流道各节点的局部电流密度Ik和输出电压V作...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦魁，蒋杨，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12