一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法技术

本发明专利技术涉及一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，包括以下步骤：S1、获取燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压数据；S2、获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据；S3、获取燃料电池双极板内部的温度采样数据；S4、构建四腔气体动态模型和电压模型；S5、基于四腔气体动态模型和电压模型将获取的数据导入后计算电流密度分布。与现有技术相比，本发明专利技术具有无需布置复杂传感器，计算方便，精度高等优点。优点。优点。

【技术实现步骤摘要】
一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法


[0001]本专利技术涉及交通动力系统用大面积燃料电池状态监测
，尤其是涉及一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法。

技术介绍

[0002]由于无污染排放的特性，燃料电池在世界范围内受到越来越多的关注，燃料电池本质上是一种电化学装置，以氢气、氧气作为燃料，通过电化学反应(非燃烧)产生电能，燃料电池商业化仍然面对很多问题，包括成本过高、寿命过低，耐久性较差。随着燃料电池趋于更大的活性面积，燃料电池内部各组分的分布不均，导致燃料电池面内差异性进一步扩大，并且随着燃料电池片数的增加，燃料电池系统的一致性也会收到影响，最终导致燃料电池耐久性和寿命的降低。
[0003]随着燃料电池功率需求的不断提升，越来越多的厂商选择大活性面积的燃料电池单体来组成燃料电池电堆。与现有研究大多采用的25cm2活性面积的燃料电池相比，大面积的燃料电池在沿气体流道方向上，会出现明显的浓度衰减，一方面是由于面内气流分配的差异，另外一方面是由于氢氧反应不断消耗反应气体，进一步扩大大面积燃料电池面内反应气体的浓度差异。另外与实验室测试用的小面积燃料电池单片不同，大面积的燃料电池单片也意味着发热功率的增大和对外接触面积的增加，温度控制的要求和难度也会大大增加，因此一般车用质子交换膜燃料电池单片面内还会存在温度分布的差异，在2000mA/cm2时，燃料电池的冷却液出口温度比冷却液进口温度提高了接近4℃，而低电密时，燃料电池面内温度差异在0.5℃以内，燃料电池对温度的敏感性较高，高电流密度下的温度差异会显著影响电池面内的反应速率，因此需要一种能够适应于大面积燃料电池的电流密度分布计算方法，实时客观的反应出动态过程中电流的变化过程。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1、获取燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压数据；
[0008]S2、获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据；
[0009]S3、获取燃料电池双极板内部的温度采样数据；
[0010]S4、构建四腔气体动态模型和电压模型；
[0011]S5、基于四腔气体动态模型和电压模型将获取的数据导入后计算电流密度分布。
[0012]所述的步骤S1中，通过布置在燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压巡检仪获取电压数据。
[0013]所述的步骤S2中，通过燃料电池测试台获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据。
[0014]所述的步骤S3中，通过外接数采卡获取燃料电池双极板内部的温度采样数据。
[0015]所述的步骤S4中，四腔气体动态模型具体是在阴极/阳极通道中，根据氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理描述进出口的气体动力学过程，将所有物质视为理想气体。
[0016]所述的燃料电池采用阴极阳极交叉供气模式，在四腔气体动态模型搭建过程中将燃料电池划分成两个半电池，则有：
[0017]1)阴极入口腔体腔体1与阳极出口腔体腔体4共同组成一个半电池，即阳极出口半电池；
[0018]2)阴极出口腔体腔体2和阳极入口腔体腔体3共同组成另一个半电池，即阳极入口半电池；
[0019]3)两个半电池并联工作，反应气体流动为串联关系；
[0020]4)阴极新鲜空气先进入阳极出口半电池，在阳极出口半电池中发生反应后进入阳极入口半电池，之后再排出燃料电池；
[0021]5)阳极新鲜氢气先进入阳极入口半电池，在阳极入口半电池中发生反应后进入阳极出口半电池，之后再排出燃料电池；
[0022]6)阳极气体浓度变化或阴极气体浓度变化均会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。
[0023]对于阴极入口腔体腔体1，其状态方程为：
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]其中，为腔体1内的氮气分压，为腔体1内的氧气分压，V
ca
为腔体内体积，i1为阳极出口半电池中的电流，A为有效活性面积，F为法拉第常数，N为电池片数，R为气体常数，为入口空气的摩尔流量，为阴极入口流量的空气氧摩尔分数，其根据阴极入口相对湿度为60％计算，为腔体1中的空气氧摩尔分数，为腔体1和腔体2之间的摩尔流量，为腔体1内氧气浓度，T
fc
为燃料电池工作温度，t为时间，P
ch1
为腔体1内的气体压力，为局部饱和蒸汽压；
[0030]对于阴极出口腔体腔体2，其状态方程为：
[0031][0032][0033][0034][0035][0036]其中，为腔体2内的氮气分压，为腔体2内的氧气分压，为阴极出口流量的空气氧摩尔分数，为腔体2内氧气浓度，为出口空气的摩尔流量，P
ch2
为腔体2内的气体压力，为阴极流道中水蒸气分压，为腔体2中的空气氧摩尔分数。
[0037]对于阳极入口腔体腔体3，其状态方程为：
[0038][0039][0040][0041]其中，为入口氢气的摩尔流量，为阳极入口流量的氢气摩尔分数，其根据阳极入口相对湿度为40％计算，为局部饱和蒸汽压，为腔体3中的氢气压力，V
an
为阳极流道内体积，为腔体3和腔体4之间的摩尔流量，为腔体3中的空气氧摩尔分数，P
ch3
为腔体3中的气体压力；
[0042]对于阳极出口腔体腔体4，其状态方程：
[0043][0044][0045][0046]其中，为腔体4中的氢气压力，为排除的氢气流量，P
ch4
为腔体4中的气体压力，为腔体4中的空气氧摩尔分数。
[0047]所述的步骤S4中，电压模型具体为：
[0048][0049]其中，V
fc
为燃料电池实际电压，为Nernst电势，v
act
为活化过电势，v
ohm
为欧姆过电势，v
conc
为浓差过电势。
[0050]所述的Nernst电势通过Nernst方程计算，则有：
[0051][0052]其中，为阳极氢气分压，为阴极氧气分压，k
E
、k
C
分别为通过参数识别获取的经验参数；
[0053]所述的活化过电势v
act
由Tafel半经验公式和Henry定律计算，则有：
[0054][0055]其中，为阴极催化剂层三相反应界面的氧气溶解浓度，I为燃料电池的实际电流；
[0056]所述的欧姆过电势v
ohm
为由质子通过交换膜的等效阻抗R
m
引起的压降，则有：
[0057]v
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、获取燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压数据；S2、获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据；S3、获取燃料电池双极板内部的温度采样数据；S4、构建四腔气体动态模型和电压模型；S5、基于四腔气体动态模型和电压模型将获取的数据导入后计算电流密度分布。2.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S1中，通过布置在燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压巡检仪获取电压数据。3.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S2中，通过燃料电池测试台获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据。4.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S3中，通过外接数采卡获取燃料电池双极板内部的温度采样数据。5.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S4中，四腔气体动态模型具体是在阴极/阳极通道中，根据氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理描述进出口的气体动力学过程，将所有物质视为理想气体。6.根据权利要求5所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的燃料电池采用阴极阳极交叉供气模式，在四腔气体动态模型搭建过程中将燃料电池划分成两个半电池，则有：1)阴极入口腔体腔体1与阳极出口腔体腔体4共同组成一个半电池，即阳极出口半电池；2)阴极出口腔体腔体2和阳极入口腔体腔体3共同组成另一个半电池，即阳极入口半电池；3)两个半电池并联工作，反应气体流动为串联关系；4)阴极新鲜空气先进入阳极出口半电池，在阳极出口半电池中发生反应后进入阳极入口半电池，之后再排出燃料电池；5)阳极新鲜氢气先进入阳极入口半电池，在阳极入口半电池中发生反应后进入阳极出口半电池，之后再排出燃料电池；6)阳极气体浓度变化或阴极气体浓度变化均会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。7.根据权利要求5所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，对于阴极入口腔体腔体1，其状态方程为：为：
其中，为腔体1内的氮气分压，为腔体1内的氧气分压，V
ca
为腔体内体积，i1为阳极出口半电池中的电流，A为有效活性面积，F为法拉第常数，N为电池片数，R为气体常数，为入口空气的摩尔流量，为阴极入口流量的空气氧摩尔分数，其根据阴极入口相对湿度为60％计算，为腔体1中的空气氧摩尔分数，为腔体1和腔体2之间的摩尔流量，为腔体1内氧气浓度，T
fc
为燃料电池工作温度，t为时间，P
ch1
为腔体1内的气体压力，为局部饱和蒸汽压；对于阴极出口腔体腔体2，其状态方程为：对于阴极出口腔体腔体2，其状态方程为：对于阴...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴海峰，唐伟，魏学哲，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：