一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质，所述方法包括如下步骤：建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型；将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合；设置计算域的边界条件；对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解；对有序化电极的氧传输特性进行评估。本发明专利技术通过建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型，既可以反应局部氧传输过程，又可以从宏观反应电池的传热传质和电化学性能。和电化学性能。和电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种燃料电池数值模拟方法、设备及介质。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料PEMFC因其高功率密度、高能量效率、零排放等优势，被视为最有希望的清洁能源转换装置，尽管该技术在过去几十年中取得了重大进展，但该技术的广泛商业化仍然受到成本高、功率密度不足和耐用性低等问题的阻碍。质子交换膜燃料电池阴极侧的氧还原反应ORR动力学缓慢，短期内仍需使用贵金属铂Pt催化剂，导致成本难以进一步降低，因此，在保证电池性能的同时降低贵金属铂的负载至关重要。
[0003]研究发现，降低铂催化剂负载时，质子交换膜燃料电池会由于氧传输阻力(Oxygen transport resistance，OTR)的急剧增加而遭受相当大的性能损失。构建有序化催化剂层可以有效地提高传质性能和铂催化剂利用率，可以在保持燃料电池性能的同时大幅减少铂负载。
[0004]使用数值仿真方法可以用来研究质子交换膜燃料电池中的包括电化学和传热传质在内的多物理场问题，帮助进一步理解有序化电极中的电化学过程和传热传质过程，从而帮助设计燃料电池电极和优化运行条件。
[0005]传统的数值仿真研究通常使用结块模型来计算燃料电池催化剂层内的传质和电化学反应。结块模型建立在使用多孔碳载铂催化剂的基础上，认为离聚物和多孔碳载铂催化剂容易形成团聚体。然而，有序化催化剂层与传统的多孔碳载铂催化剂结构不同，有序化催化剂层由特性形状单元的载体有序构成，可以避免类似多孔碳载铂催化剂的团聚现象，因此使用常规的团聚模型并不适用于模拟计算有序化催化剂的物质传输和电化学反应。另一方面，传统的结块模型只考虑氧气从催化剂层内的孔隙至团聚体的界面传质阻力，没有充分考虑团聚体内更为详细和准确的传质过程，如离聚物至催化剂表面的局部氧传输过程等。因此，建立包含局部氧传输过程的微观模型和宏观燃料电池模型的多尺度模型对于准确模拟燃料电池的多物理场过程至关重要。
[0006]从氧传输阻力评估方法来说，质子交换膜燃料电池传质阻力通常由极限电流法测得，可以将传质阻力分为体相传质阻力和局部传质阻力。极限电流法有下述两个局限：1、燃料电池通常在非极限电流工况下运行，极限电流法测得的氧传输阻力特性并不能直接用来代表燃料电池氧传输特性，研究的重点应该是非极限电流工况；2、极限电流法只能够测得总的局部氧传输阻力，无法评估局部氧传输各个过程的影响，而理解局部氧传输过程至关重要，可以帮助优化设计电极结构，提升在低铂载量的燃料电池的性能。

技术实现思路

[0007]为了克服上述技术缺陷，本专利技术提供了一种燃料电池数值模拟方法。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术按以下技术方案予以实现的：
[0009]一种燃料电池数值模拟方法，所述方法包括如下步骤：
[0010]建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型；
[0011]将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合；
[0012]设置计算域的边界条件；
[0013]对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解；
[0014]对有序化电极的氧传输特性进行评估。
[0015]进一步的，采用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、气体组分守恒方程、电子守恒方程及质子守恒方程建立宏观尺度燃料电池模型。
[0016]进一步的，所述宏观尺度燃料电池模型包括：
[0017]二次电流分布模块，用于模拟电化学反应；
[0018]两相水传输模块，用于模拟水的蒸发和冷凝两相变化；
[0019]气体物质传输模块，用于模拟多孔介质中氢气、氧气的扩散；
[0020]离聚物水传输模块，用于模拟跨膜水传输和相应的离聚物的质子电导率；
[0021]传热模块，用于模拟计算欧姆热和反应热带来的不均匀温度场。
[0022]进一步的，将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合的步骤，包括：
[0023]将电流密度、催化剂层内体相氧浓度、液态水含量有关的离聚物厚度、水膜厚度作为输入，耦合至微观尺度局部氧传输模型；
[0024]将微观尺度局部氧传输模型中的铂表面氧浓度耦合至二次电流模块中，计算电化学反应速率和交换电流密度。
[0025]进一步的，所述边界条件包括：计算域阴极氧气流道指定氧气初始值和狄利克雷边界条件、计算域阳极氢气流道指定氢气初始值和狄利克雷边界条件、计算域阴极极板指定电势边界条件、计算域阳极极板指定电接地边界条件。
[0026]进一步的，所述对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解的步骤，包括：
[0027]设置有限元网格，对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解，求解的工况包括：极限电流条件和非极限电流条件。
[0028]进一步的，所述对有序化电极的氧传输特性进行评估的步骤，包括步骤：
[0029]根据微观尺度局部氧传输模型，计算有序化电极局部氧传质过程中的氧气浓度；
[0030]根据极限电流法和对数归一化氧传输阻力方法，计算常规电极和有序化电极的氧传输阻力。
[0031]进一步的，所述微观尺度局部氧传输模型用于描述氧气分子的微观传输过程，所述氧气分子的微观传输过程包括：
[0032]氧气从催化剂层的孔隙溶解至液态水的界面传输过程；
[0033]氧气在液态水中的扩散传输过程；
[0034]氧气在液态水至离聚物的界面传输过程；
[0035]氧气在离聚物中的扩散传输过程；
[0036]氧气在离聚物中的扩散。
[0037]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0038]本专利技术公开了一种燃料电池数值模拟方法，通过建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型，既可以反应局部氧传输过程，又可以从宏观反应电池的传热传质和电化学性能，比传统模型更加合理和精确。
[0039]本专利技术还公开了一种计算机设备，其特征在于，包括：
[0040]处理器；
[0041]用于存储所述处理器可执行指令的存储器；
[0042]其中，所述处理器被配置为执行所述指令，以实现上述的数值模拟方法。
[0043]本专利技术还公开了一种计算机可读存储介质，其特征在于，其为计算机可读的存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的数值模拟方法。
附图说明
[0044]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
[0045]图1为实施例1所述的数值模拟方法的模型示意图：(a)计算域，(b)三维有序分级多孔电极单元和局部氧传输过程；
[0046]图2为实施例1所述的数值模拟方法的模型验证的示意图；
[0047]图3为实施例1所述的数值模拟方法的不同铂载量下的氧传输阻力的示意图：(a)体相和局部氧传输阻力，(b)局部氧传输阻力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池数值模拟方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：建立宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型；将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合；设置计算域的边界条件；对宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行验证和求解；对有序化电极的氧传输特性进行评估。2.根据权利要求1所述的燃料电池数值模拟方法，其特征在于，采用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、气体组分守恒方程、电子守恒方程及质子守恒方程建立宏观尺度燃料电池模型。3.根据权利要求1所述的燃料电池数值模拟方法，其特征在于，所述宏观尺度燃料电池模型包括：二次电流分布模块，用于模拟电化学反应；两相水传输模块，用于模拟水的蒸发和冷凝两相变化；气体物质传输模块，用于模拟多孔介质中氢气、氧气的扩散；离聚物水传输模块，用于模拟跨膜水传输和相应的离聚物的质子电导率；传热模块，用于模拟计算欧姆热和反应热带来的不均匀温度场。4.根据权利要求3所述的燃料电池数值模拟方法，其特征在于，将宏观尺度燃料电池模型和微观尺度局部氧传输模型进行耦合的步骤，包括：将电流密度、催化剂层内体相氧浓度、液态水含量有关的离聚物厚度、水膜厚度作为输入，耦合至微观尺度局部氧传输模型；将微观尺度局部氧传输模型中的铂表面氧浓度耦合至二次电流模块中，计算电化学反应速率和交换电流密度。5.根据权利要求1所述的燃料电池数值模拟方法，其特征在于，所述边界条件包括：计算域阴极氧气流道指定氧气初始值和狄利克雷边界条件、计算域阳极氢气流道指定氢气初始值和狄利克雷边界条件、计算域阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天寿，林鹏翥，徐建波，
申请(专利权)人：广州市香港科大霍英东研究院，
类型：发明
国别省市：