耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法技术

公开了耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，方法中，质子交换膜燃料电池包括阳极流道和阴极流道和膜电极，所述膜电极包括阳极和阴极侧的气体扩散层、微孔层，催化层以及质子交换膜，质子交换膜燃料电池中的各组分包括氢气、氧气、氮气以及水蒸气，构建各组分的组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程、能量守恒方程，构建电化学模型，在恒电流计算模式下，电池的输出电压为可逆电压减去活化、欧姆和浓差过电势，构建阴极催化层结块模型考虑局部氧气传质损失，构建组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程和能量守恒方程的边界条件，并基于上述模型发展了一种高精度和高鲁棒性的迭代求解方法及流程。和高鲁棒性的迭代求解方法及流程。和高鲁棒性的迭代求解方法及流程。

【技术实现步骤摘要】
耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法


[0001]本专利技术属于电化学能量转换及燃料电池领域，具体涉及一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法。

技术介绍

[0002]氢能是可再生能源的能量转化中枢，随着各国碳中和政策的陆续颁布，人类社会开始逐步向无碳化氢能社会探索。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为氢能网络中的重要终端应用装置，可将氢能直接转化为电能，具有清洁无污染，无噪音，功率密度高，转化效率高，启动速度快以及运行温度低等优点，被广泛认为是下一代能量转化装置，可应用于交通，便携式能源，固定电站以及分布式能源系统等领域。然而，质子交换膜燃料电池还处于商业化初期，如何实现高性能、长寿命以及低成本的电池是目前的研究重点。
[0003]质子交换膜燃料电池包含有复杂的多相反应传质过程，如气体扩散，电子/质子传递，气液相变，膜吸/放水以及液体渗流等。反应气体、电子和质子分别在不同通道内传输，共同在三相界面处发生电化学反应。催化层中贵金属催化剂的使用是造成燃料电池成本高的主要原因之一，减少贵金属催化剂的用量是目前的研究热点。然而，催化剂的减少造成反应面积降低，增加了反应物的传输阻力，因此不可避免的恶化了电池的性能。理解催化层中复杂的多相反应传质过程可以有效指导催化层的设计优化，降低成本，提高电池的性能和寿命。
[0004]构建高精度、高鲁棒性质子交换膜燃料电池模型可以有效减少实验成本，获得电池内多相传输反应传质机制，从而指导燃料电池的设计与优化。如前所述，催化层中包含有复杂的多相反应传质过程，对其进行合理的模型描述存在明显挑战。常用的界面模型和均质模型未能考虑催化层组分间的相互耦合关系以及氧气跨膜传输的巨大阻力，常常过高的预估电池性能。而介观和微观分子动力学模型由于时间/空间尺度的限制很难反映电池的宏观性能。
[0005]在
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池一维建模及求解方法。综合考虑电池内部的气液两相流动，扩散以及相变过程，耦合所建立的催化层结块模型，引入氧气跨膜阻力和修正电化学模型，改善燃料电池模型中未考虑局部氧气传输的不足，可考虑催化层的构成对氧气传输及宏观性能的影响。并相应地提出一种基于该模型的高精度、高鲁棒性的迭代求解方法及流程。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现，耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法包括以下步骤：
[0008]第一步骤，构建的质子交换膜燃料电池包括阳极流道和阴极流道和膜电极，所述
膜电极包括阳极和阴极侧的气体扩散层GDL、微孔层MPL，催化层CL以及质子交换膜PEM，质子交换膜燃料电池中的各组分包括括氢气、氧气、氮气以及水蒸气，构建各组分的组分扩散方程：
[0009][0010]其中t为时间；为哈密顿算子；ε和s分别为多孔电极的孔隙率和液态水饱和度；C
i
为各组分摩尔浓度；为各组分的有效扩散系数；M
i
为各组分的摩尔质量；S
i
表示由电化学反应或相变造成的组分源项，其中，
[0011][0012][0013][0014][0015]式中j
a
和j
c
分别为阴阳极两侧的电化学反应速率；F为法拉利常数；S
v
为水蒸气组分扩散方程的源项；S
v
‑
l
为气态水转化为液态水的源项；S
m
‑
v
为膜态水转化为气态水的源项；i为H2、或O2、或N2、或水蒸气(v)；AGDL和CGDL分别代表阳极和阴极侧的气体扩散层；AMPL和CMPL分别代表阳极和阴极侧的微孔层；ACL和CCL分别代表阳极和阴极侧的催化层；GDLs和MPLs以及CLs分别为阴阳极两侧的GDL，MPL和CL；
[0016]第二步骤，构建质子交换膜燃料电池中多孔电极的液压守恒方程，其中，式中ρ1，p1，μ1，k1分别代表液态水的密度，压力，粘度和相对渗透率；K为多孔介质的固有渗透率；S1为方程的源项，其为：
[0017][0018]其中，表示H2O的摩尔质量；第三步骤，构建质子交换膜燃料电池中膜态水守恒方程：
[0019][0020]式中ρ
PEM
和EW分别表示膜的密度和当量重量；ω，λ和表示离聚物的体积分数，膜态水含量和有效扩散系数；S
mw
为膜态水方程的源项，其为：
[0021][0022]式中，S
EOD
和S
p
分别代表由于电渗拖曳和液压渗透作用产生的源项；
[0023]第四步骤，构建质子交换膜燃料电池中的能量守恒方程，
[0024][0025]式中C
p，l
，C
p，g
和C
p，s
分别表示液体，气体和固体的比热容；k
eff
代表有效导热系数；ρ
g
和ρ
s
分别为气体和固体的密度；T为温度；S
T
为能量方程中的源项，分别由不同组件的反应热，欧姆热，相变热以及活化热组成，
[0026][0027]式中j为垂直于膜方向上的体积电流密度；ΔS
a
和ΔS
c
分别为阴极和阳极两侧的熵差；η
ohm
和η
act
分别为欧姆和活化过电势；h为相变潜热；BPs表示阴阳极两侧的双极板；
[0028]第五步骤，构建电化学模型，在恒电流计算模式下，电池的输出电压为可逆电压减去活化、欧姆和浓差过电势：V＝E
rev
‑
η
ohm
‑
η
act，con
，
[0029][0030][0031]其中E
rev
为可逆电压；η
act，con
为活化和浓差过电势；和为进口氢气和氧气的气压；和分别为电子通过极板和多孔电极骨架的面积比电阻；和分别代表质子通过催化层和膜中的面积比电阻；R为理想气体常数；I为运行的电流密度，
[0032]阳极侧的活化和浓差过电势为：
[0033][0034][0035]其中j
0，a
和分别为阳极体积交换电流密度和参考体积交换电流密度；为氢气浓度；为参考氢气浓度；α
a
和α
c
分别为阳极和阴极的转换系数；η
a
为阳极侧的活化和浓差过电势；
[0036]第六步骤，构建阴极催化层结块模型，氧气从催化层孔隙中到Pt催化剂表面间存在氧气阻力，氧气阻力为：
[0037][0038]其中R
l
为氧气穿过液态水薄膜的扩散阻力；R
ion，int
为氧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步骤，构建质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池包括阳极流道、阴极流道和膜电极，所述膜电极包括阳极和阴极侧的气体扩散层GDL、微孔层MPL，催化层CL以及质子交换膜PEM，质子交换膜燃料电池中的各组分包括氢气、氧气、氮气以及水蒸气，其中，构建各组分的组分扩散方程如下：其中，t为时间；为哈密顿算子；ε和s分别为多孔电极的孔隙率和液态水饱和度；C
i
为各组分摩尔浓度；D
ieff
为各组分的有效扩散系数；M
i
为各组分的摩尔质量；S
i
表示由电化学反应或相变造成的组分源项，其中，反应或相变造成的组分源项，其中，反应或相变造成的组分源项，其中，反应或相变造成的组分源项，其中，式中，j
a
和j
c
分别为阴阳极两侧的电化学反应速率；F为法拉利常数；S
v
为水蒸气组分扩散方程的源项；S
v
‑1为气态水转化为液态水的源项；S
m
‑
v
为膜态水转化为气态水的源项；i为H2、或O2、或N2、或水蒸气；AGDL和CGDL分别代表阳极和阴极侧的气体扩散层；AMPL和CMPL分别代表阳极和阴极侧的微孔层；ACL和CCL分别代表阳极和阴极侧的催化层；GDLs和MPLs以及CLs分别为阴阳极两侧的GDL，MPL和CL；第二步骤，构建质子交换膜燃料电池中多孔电极的液压守恒方程，其中，式中，ρ1，p1，μ1，k1分别代表液态水的密度，压力，粘度和相对渗透率；K为多孔介质的固有渗透率；S1为方程的源项，其为：其中，表示H2O的摩尔质量；第三步骤，构建质子交换膜燃料电池中膜态水守恒方程：
式中，ρ
PEM
和EW分别表示膜的密度和当量重量；ω，λ和表示离聚物的体积分数，膜态水含量和有效扩散系数；S
mw
为膜态水方程的源项，其为：式中，S
EOD
和S
p
分别代表由于电渗拖曳和液压渗透作用产生的源项；第四步骤，构建质子交换膜燃料电池中的能量守恒方程，式中，C
p，1
，C
p，g
和C
p，s
分别表示液体，气体和固体的比热容；T为温度；k
eff
代表有效导热系数；ρ
g
和ρ
s
分别为气体和固体的密度；S
T
为能量方程中的源项，分别由不同组件的反应热，欧姆热，相变热以及活化热组成，式中，j为垂直于膜方向上的体积电流密度；ΔS
a
和ΔS
c
分别为阴极和阳极两侧的熵差；η
ohm
和η
act
分别为欧姆和活化过电势；h为相变潜热；BPs表示阴阳极两侧的双极板；第五步骤，构建电化学模型，在恒电流计算模式下，电池的输出电压为可逆电压减去活化、欧姆和浓差过电势：V＝E
rev
‑
η
ohm
‑
η
act，con
，，其中，E
rev
为可逆电压；η
act，con
为活化和浓差过电势；和为进口氢气和氧气的气压；和分别为电子通过极板和多孔电极骨架的面积比电阻；和分别代表质子通过催化层和膜中的面积比电阻；R为理想气体常数；I为运行的电流密度，
阳极侧的活化和浓差过电势通过以下式子求得：阳极侧的活化和浓差过电势通过以下式子求得：其中j
0，a
和分别为阳极体积交换电流密度和参考体积交换电流密度；为氢气浓度；为参考氢气浓度；α
a
和α
c
分别为阳极和阴极的转换系数；η
a
为阳极侧的活化和浓差过电势；第六步骤，构建阴极催化层结块模型，氧气从催化层孔隙中到Pt催化剂表面间存在氧气阻力，氧气阻力为：其中，R1为氧气穿过液态水薄膜的扩散阻力；R
ion，int
为氧气进入离聚物表面的界面阻力；为氧气在离聚物中的扩散阻力；为氧气从离聚物中到Pt颗粒表面的界面阻力；第七步骤，建立所述催化层结块模型的耦合关系，Pt表面参加电化学反应的氧气浓度为：其中和分别表示Pt表面和离聚物界面上的氧气浓度；I
local
为离聚物表面的局部电流密度，A
ion
为离聚物的比表面积；式中为亨利系数；为催化层孔隙中的氧气浓度，为催化层孔隙中的氧气浓度，其中，i
0，c
和为交换电流密度和参考交换电流密度；η
c
为阴极侧的活化和浓差过电势；w为能量参数；a
Pt
为单位体积Pt催化剂的表面积；θ
Pt/O

【专利技术属性】
技术研发人员：屈治国，王宁，张剑飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：