用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法，实现不同操作工况下，电解池所需的输入电压的预测。构建的用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法，模型包括5个部分：求解电解池所需的输入电压、求解阳极和阴极的活化过电势、求解传质过电势、求解欧姆过电势以及两相流传质计算。本发明专利技术提出的建模方法准确描述了质子交换膜电解池的电化学反应机理和内部传质特征，同时也考虑了电解池内的两相传输特性。对于预测质子交换膜电解池的性能具有很高的实际意义和准确性。模型的输入参数涵盖了电解池运行中的各项操作工况参数和电池材料设计参数，能够对这些核心参数对电解池性能的影响进行有效预测。预测。预测。

【技术实现步骤摘要】
用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法


[0001]本专利技术属于电化学制氢领域，具体涉及一种用于对电解池性能进行预测的计算方法。

技术介绍

[0002]氢气是一种利用清洁、可再生、来源广泛的能量介质，开发和利用氢能对减少温室气体排放、实现碳达峰、实现能源多样化并保证能源安全具有非常重要的意义。通过电解水的方式制取氢气，能够与多种可再生能源相结合。
[0003]利用质子交换膜电解池制氢具有氢气纯度高、气体跨膜率低、适用于高电流密度运行等优势。但同时质子交换膜电解池也存在成本高、性能(效率)不足等问题，其内部存在复杂的两相(反应物液态水和生成物氢气和氧气)流动过程，直接影响着质子交换膜电解池的性能(所需的输入电压)。通过操作工况的合理设计和电解池关键参数的优化，对于提升电解池的性能、降低能耗十分重要。仿真建模是能够以较低的经济成本，实现对电解池性能进行有效预测，并进行优化的关键技术。本专利技术所提出的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法，主要应用于电解池的设计和开发阶段，为预测电解池性能的优化设计提供方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是，提供一种用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法，实现不同操作工况下，电解池所需的输入电压的预测。
[0005]构建的用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法，模型包括5个部分：求解电解池所需的输入电压、求解阳极和阴极的活化过电势、求解传质过电势、求解欧姆过电势以及两相流传质计算。具体步骤为：
[0006](1)求解电解池所需的输入电压
[0007]V＝V
oc
+V
act_a
+V
act_c
+V
con_a
+V
con_c
+V
ohm 1
‑1[0008]其中可逆电压V
oc
的计算式为：
[0009][0010](2)求解阳极和阴极的活化过电势
[0011][0012][0013][0014][0015](3)求解阳极和阴极的传质过电势
[0016][0017][0018][0019][0020](4)求解欧姆过电势
[0021][0022][0023](5)两相流传质计算
[0024]该步骤包括前述步骤(3)中s
g,cl,c
以及步骤(4)中λ的求解，具体包括：(5.1)阳极流道内需计算的参数：
[0025]J
lq,in
A
in
‑
(J
lq,reac
+J
lq,cro
)A
act
＝u
out,a
c
lq
A
in
s
lq,out,a 5
‑1[0026][0027][0028][0029][0030]其中J
lq,reac
由下式求得：
[0031][0032][0033][0034](5.2)阴极流道内需要计算的参数：
[0035]J
lq,cro
A
act
＝u
out,c
c
lq
A
in
s
lq,out,c
‑
N
vp,out,c 5
‑9[0036][0037]N
vp,out,c
＝u
out,c
c
vp
A
in
s
g,out,c
ꢀꢀ5‑
11
[0038]s
lq,out,c
+s
g,out,c
＝1
ꢀꢀ5‑
12
[0039][0040][0041]其中c
vp
、可由下式求得：
[0042][0043][0044][0045](5.3)阳极和阴极多孔电极内需要计算的参数：
[0046][0047][0048]由多孔电极中Leverett方程，描述了液压与液态水饱和度间的关系，即可由p
lq,ch,a
、p
lq,cl,a
、p
lq,ch,c
、p
lq,cl,c
对应的求解s
lq,ch,a
、s
lq,cl,a
、s
lq,ch,c
、s
lq,cl,c
。同时和s
lq,cl,a
、s
g,cl,c
和s
lq,cl,c
存在如下关系：
[0049][0050]s
g,cl,c
＝1
‑
s
lq,cl,c 5
‑
21
[0051](5.4)水跨膜传输过程需要计算的参数如下：
[0052]J
lq,cro
＝J
lq,hyd
+J
lq,dmw
+J
lq,nd 5
‑
22
[0053][0054][0055][0056][0057]联立求解式5
‑
1至5
‑
26，并结合熟知的数学拟合式，可求得s
g,cl,c
，λ。
[0058]将s
g,cl,c
带入步骤(3)可求得传质过电势；将λ带入步骤(4)可求得欧姆过电势，进而将步骤(2)、(3)、(4)中求解的V
act,a
、V
act,c
、V
con_a
、V
con_c
、V
ohm
各过电势带入步骤(1)，即可求得电解池所需的输入电压。
[0059]本专利技术在计算电解池所需电压过程中，考虑到电解池运行过程中的各项过电势造成的电压损失，通过求解步骤(5)中两相流传质部分，解析电解池内传质特性，实现对电解
池传质过电势和欧姆过电势的准确求解。
[0060]本专利技术的特点及产生的有益效果是：提出的建模方法准确描述了质子交换膜电解池的电化学反应机理和内部传质特征，同时也考虑了电解池内的两相传输特性，因此对于预测质子交换膜电解池的性能(输入电压)具有很高的实际意义和准确性。模型的输入参数涵盖了电解池运行中的各项操作工况参数(如温度、压力等)和电池材料设计参数(质子交换膜物性、多孔电极物性等)，即能够对这些核心参数对电解池性能的影响进行有效预测，从而可以避免实验测试消耗的大量经济和时间成本，提升电解池设计和优化过程的效率。
附图说明
[0061]图1为本专利技术实施例中电流密度I为0至2.0A cm
‑2时，对应的电解池输入电压的变化。
[0062]图2为本专利技术实施例中电解池在温度313K、333K、353K下运行的极化曲线。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的建立方法，其特征是构建模型的方法步骤如下：(1)求解电解池所需的输入电压V＝V
oc
+V
act_a
+V
act_c
+V
con_a
+V
con_c
+V
ohm
ꢀꢀ1‑
1式中V表示电解池的输入电压；V
oc
表示可逆电压；V
act_a
和V
act_c
分别表示阳极和阴极的活化过电势；V
con_a
和V
con_c
分别表示阳极和阴极的传质过电势；V
ohm
表示欧姆过电势，其中可逆电压V
oc
的计算式为：式中T为温度；F为法拉第常数；R为理想气体常数；p
a
和p
c
分别为阳极氧气分压和阴极氢气分压；为水活度，(2)求解阳极和阴极的活化过电势解阳极和阴极的活化过电势解阳极和阴极的活化过电势解阳极和阴极的活化过电势式中I为电流密度；α
a
和α
c
分别为阳极和阴极的电荷交换系数；式2
‑
3和2
‑
4中i
0,a
、i
0,c
分别为阳极和阴极的交换电流密度；其中的i
ref,a
、i
ref,c
分别为阳极和阴极的参考交换电流密度。(3)求解阳极和阴极的传质过电势解阳极和阴极的传质过电势解阳极和阴极的传质过电势解阳极和阴极的传质过电势式3
‑
3中为阳极催化层内有效氧气浓度，为氧气浓度；式3
‑
4中为阴极催化层内氢气浓度，为氢气浓度；为氧气参考浓度；为氢气参考浓度；ε
adl
和ε
cdl
分别为阳极和阴极多孔电极孔隙率；为阳极多孔电极内氧气饱和度；s
g,dl
‑
cl,c
为阴极多孔电极内气体饱和度，(4)求解欧姆过电势
式中δ
mem
、δ
adl
、δ
cdl
分别为质子交换膜阳极多孔电极和阴极多孔电极的厚度；σ
s
为多孔电极电子电导率；R
con
为接触电阻；σ
m
为质子交换膜的离子电导率；λ为质子交换膜的水含量，λ需由步骤(5)两相流传质计算部分求解，(5)两相流传质计算该步骤包括前述步骤(3)中s
g,cl,c
的求解，(5.1)阳极流道内需计算的参数如下：J
lq,in
A
in
‑
(J
lq,reac
+J
lq,cro
)A
act
＝u
out,a
c
lq
A
in
s
lq,out,a
ꢀꢀ5‑
1111式中J
lq,in
表示供给入阳极流道的液态水通量；J
lq,reac
表示电化学反应消耗液态水的通量；J
lq,cro
表示从阳极到阴极的水跨膜通量；表示由电化学反应生成氧气的通量；s
lq,ch,a
表示阳极流道内液态水平均饱和度；s
lq,in,a
、s
lq,out,a
分别代表阳极流道入口和出口处液态水饱和度；表示阳极流道内氧气平均饱和度；分别代表阳极流道入口和出口处氧气饱和度；A
in
表示阳极流道入口面积；A
act
表示电解池活化面积；u
out,a
表示阳极流道内流速；c
lq
为液态水浓度；其中J
lq,reac
、J
lq,cro
由下式求得：由下式求得：由下式求得：式中p0表示标准大气压，(5.2)阴极流道内需要计算的参数如下：J
lq,cro
A
act
＝u
out,c
c
lq
A
in
s
lq,out,c
‑
N
vp,out,c
ꢀꢀꢀꢀ5‑
9N
vp,out,c
＝u...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博文，焦魁，倪萌，杜青，刘智，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：