一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统，涉及质子交换膜燃料电池技术领域，方法包括：基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能。本发明专利技术能够提高燃料电池输出性能的预测准确度。准确度。准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，特别是涉及一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统。

技术介绍

[0002]氢能被视为具有广阔应用前景甚至视为能源战略意义的清洁二次能源，得到了世界各国的高度重视。质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）是氢能产业发展的核心技术之一，具有高功率密度、高能量转换效率、零排放等优点。
[0003]氢气作为燃料电池的阳极反应气体，其流量大小直接影响了输出功率以及能量利用率。氢气供给不足会导致燃料电池内部发生气体饥饿现象，降低燃料电池的输出性能及耐久性。然而过量的氢气供给则会造成燃料浪费，导致能量利用率的下降。在燃料电池汽车中，氢气供给系统设置有氢气循环回路，将燃料电池堆阳极出口的氢气循环输送至燃料电池堆阳极入口处，以提高整车的氢气利用率及续航里程。由于燃料电池堆阳极尾气中含有未消耗的氢气以及电化学反应生成的水蒸气，因此氢气循环过程能够对燃料电池堆阳极入口气体进行一定的加湿作用，改善燃料电池堆的水管理状态。尽管质子交换膜对气体的渗透性极低，但是在阴阳极气体压力梯度的驱动下，氮气会持续从阴极渗透到阳极而且会随着时间累积，导致氢气难以传输到阳极催化层的有效活性位点，从而无法发生电化学反应，进而造成输出性能的下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统，以提高燃料电池输出性能的预测准确度。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：第一方面，本专利技术提供了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测方法包括：基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温
度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。
[0006]第二方面，本专利技术提供了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测系统，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测系统包括：第一方程输出结果确定模块，用于基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；第二方程输出结果确定模块，用于依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；阳极循环模式气体状态参数确定模块，用于基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；燃料电池输出电压性能预测模块，用于基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。
[0007]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：（1）本专利技术提供的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统，计算了燃料电池内部氮气的跨膜渗透现象，表征燃料电池阳极的氮气分布情况以及燃料电池内部的“水
‑
气
‑
热
‑
电”参数分布情况，并且预测了阳极循环模式下燃料电池的输出性能。
[0008]（2）本专利技术提供的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统，弥补了已有模型缺乏氮气跨膜渗透机理而导致模型预测准确度低的短板，能够为阳极排气策略的开发提供仿真数据支持，极大的降低实验成本及研发周期。
附图说明
[0009]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1为本专利技术所述的阳极循环模式下燃料电池的模型示意图；图2为本专利技术所述的阳极循环模式下燃料电池性能预测方法的流程图；图3为应用本专利技术时计算得到的阳极氮气摩尔分数曲线图；图4为应用本专利技术时预测的燃料电池的输出性能示意图；图5为应用本专利技术时燃料电池输出性能随时间的变化情况图；图6为应用本专利技术时阳极流道中氮气浓度随时间的变化情况图；图7为应用本专利技术时阳极流道中氢气浓度随时间的变化情况图；图8为本专利技术所述的阳极循环模式下燃料电池性能预测系统的结构图。
具体实施方式
[0011]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0012]当前国内外尚未揭示跨膜渗透的氮气在阳极内部沿着气体流动方向上的分布情况及其影响规律，而该现象对于指导阳极排气策略（如开启持续时间、开启间隔时间以及开启幅度等）的开发至关重要。因此有必要提出一种阳极循环模式下燃料电池性能预测技术，以满足燃料电池阳极排气策略的技术开发需求。鉴于此，本专利技术提供了一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法及系统，能够计算氮气的跨膜渗透现象，表征燃料电池阳极的氮气分布情况以及燃料电池内部的“水
‑
气
‑
热
‑
电”参数分布情况，并且预测燃料电池的输出性能，弥补已有模型缺乏氮气跨膜渗透机理而导致模型准确度低的短板，能够为阳极排气策略的开发提供仿真数据支持，极大的降低实验成本及研发周期。
[0013]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0014]实施例一如图1所示，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，按照氮气渗透方向，燃料电池依次包括阴极极板、阴极流道、阴极气体扩散层、阴极微孔层、阴极催化层、质子交换膜、阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层、阳极流道以及阳极极板；所述阳极循环模式下燃料电池性能预测方法包括：基于燃料电池内部的膜态水传输方程、液态水传输方程和温度传输方程，计算膜态水传输方程输出结果、液态水传输方程输出结果和温度传输方程输出结果；依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果；所述第一标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和膜态水传输方程输出结果；基于所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果，确定在阳极循环模式下的气体状态参数；基于阳极循环模式下的所述气体状态参数和第二标记方程输出结果，预测燃料电池输出电压性能；所述第二标记方程输出结果包括所述液态水传输方程输出结果、所述温度传输方程输出结果和所述气体传输方程输出结果。2.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，还包括：确定燃料电池的结构设计参数和运行工况参数。3.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，所述膜态水传输方程为：；式中，表示质子交换膜密度，表示质子交换膜当量质量，表示聚合物体积分数，表示膜态水含量，表示时间，表示膜态水扩散系数，表示膜态水源项，表示散度，表示梯度；所述膜态水传输方程输出结果包括：阳极催化层中的膜态水含量、质子交换膜中的膜态水含量以及阴极催化层中的膜态水含量；所述液态水传输方程为：；式中，表示孔隙率，表示液态水密度，表示液态水体积分数，表示液态水渗透率，表示液态水动力粘度，表示液压，表示液态水源项；所述液态水传输方程输出结果包括：阳极气体扩散层中的液态水体积分数、阳极微孔层中的液态水体积分数、阳极催化层中的液态水体积分数、阴极气体扩散层中的液态水体积分数、阴极微孔层中的液态水体积分数以及阴极催化层中的液态水体积分数；所述温度传输方程为：
；式中，表示有效密度比热容，表示温度，表示有效导热系数，表示热源项；所述温度传输方程输出结果包括阳极极板中的温度、阳极流道中的温度、阳极扩散层中的温度、阳极微孔层中的温度、阳极催化层中的温度、质子交换膜中的温度、阴极催化层中的温度、阴极微孔层中的温度、阴极扩散层中的温度、阴极流道中的温度以及阴极极板中的温度。4.根据权利要求1所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，所述依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据第一标记方程输出结果计算气体传输方程输出结果，具体包括：依据燃料电池内部氮气跨膜渗透现象，根据所述膜态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果计算阴极跨膜渗透到阳极的氮气量；基于气体传输方程、所述阴极跨膜渗透到阳极的氮气量、所述液态水传输方程输出结果和所述温度传输方程输出结果，计算气体传输方程输出结果；所述气体传输方程输出结果包括氮气浓度集合、水蒸气浓度集合、氢气浓度集合和氧气浓度集合；所述氮气浓度集合包括阳极流道中的氮气浓度、阳极扩散层中的氮气浓度、阳极微孔层中的氮气浓度、阳极催化层中的氮气浓度、阴极催化层中的氮气浓度、阴极微孔层中的氮气浓度、阴极扩散层中的氮气浓度以及阴极流道中的氮气浓度；所述水蒸气浓度集合包括阳极流道中的水蒸气浓度、阳极扩散层中的水蒸气浓度、阳极微孔层中的水蒸气浓度、阳极催化层中的水蒸气浓度、阴极催化层中的水蒸气浓度、阴极微孔层中的水蒸气浓度、阴极扩散层中的水蒸气浓度以及阴极流道中的水蒸气浓度；所述氢气浓度集合包括阳极流道中的氢气浓度、阳极扩散层中的氢气浓度、阳极微孔层中的氢气浓度和阳极催化层中的氢气浓度；所述氧气浓度集合包括阴极催化层中的氧气浓度、阴极微孔层中的氧气浓度、阴极扩散层中的氧气浓度和阴极流道中的氧气浓度。5.根据权利要求4所述的一种阳极循环模式下燃料电池性能预测方法，其特征在于，所述阴极跨膜渗透到阳极的氮气量的计算公式为：；式中，表示当前时刻阴极跨膜渗透到阳极的氮气量，表示当前时刻氮气跨膜渗透系数，、分别表示上一时刻阴极催化层中的氮气浓度、上一时刻阳极催化层中的氮气浓度，表示理想气体常数，、分别表示当前时刻阴极<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨子荣，郝冬，张妍懿，王晓兵，陈光，焦道宽，李岩，王睿迪，
申请(专利权)人：中汽研新能源汽车检验中心天津有限公司，
类型：发明
国别省市：