阳极回路氮浓度设计方法及燃料电池设计系统技术方案

本发明专利技术提供了阳极回路氮浓度设计方法及燃料电池设计系统。第一方面提供了阳极回路氮浓度设计方法，根据阴极路操作参数确定阳极路的流量和压力，来计算阳极回路氮浓度，第二方面提供阴极容差压降设计方法，根据输入参数确定阴极路操作参数，并通过压降传递来计算阴极容差压降，第三方面提供燃料电池设计系统，根据阳极回路氮浓度和阴极容差压降设计中得到的参数，确定阴极、阳极、冷却路的操作与设备参数；本发明专利技术把燃料电池系统阳极、阴极、冷却路的计算相联系，实现了全局优化，并引入了动态关联下的氮浓度计算，提高了阳极氢气循环的电堆效率，而且各路参数与设备计算相联系，兼顾了设备效率，可保证系统的可靠安全，准确度高，成本低。本低。

【技术实现步骤摘要】
阳极回路氮浓度设计方法及燃料电池设计系统


[0001]本专利技术涉及H01M，更具体地，涉及阳极回路氮浓度设计方法及燃料电池设计系统。

技术介绍

[0002]燃料电池系统是由电堆、子系统管路、控制系统组成的发电系统，系统各部件物料和热量相互关联，只有对燃料电池进料和设备的操作条件进行整体控制，才能保证燃料电池系统的安全运行，但是目前在系统设计时，由于各路参数关联的复杂性和缺乏内部机理的局限性，一般采用实施大量实验的方法来进行参数的调试，造成设计成本高，效率低，且测试数据难以广泛适用。
[0003]而基于热力学原理的系统开发有利于提高系统设计的有效性和准确性，但是目前仅仅针对局部管路进行设计，如CN101262068B等，而难以考虑该局部变化对其他设备的影响，局限性较大，如设计管路的增压系统而难以兼顾增压对进料湿度的影响，设计阴极路流量而难以考虑电堆跨膜对阳极路流量的影响，设计冷却路温度而忽略温度对电堆效率的影响等，而且，不考虑全局的设计甚至会损耗电池寿命乃至造成安全事故。
[0004]此外，实际应用中常需要在阳极引入循环路来提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阳极回路氮浓度设计方法，其特征在于，包括：S1、根据阴极管路的物理量通过分压定律和物料守恒定律，确定出阳极出口氮气量N
N2,aout
、阳极出口氢气量N
H2,aout
、阳极出口水量N
H2O,aout
、阳极出口压力P
aout
、阳极入口氮气量N
N2,ain
、阳极入口氢气量N
H2,ain
、阳极入口水量N
H2O,ain
、阳极入口压力P
ain
；S2、根据阳极、阴极的各组分流量、压力、温度、以及阳极回流比，计算阳极回路氮浓度C
N2
＝(1
‑
Fa)*N
N2,aout
/(N
N2,aout
+N
H2,aout
+N
H2O,aout
)*P
aout
/R/(Th+b1)+Fa*N
N2,ain
/(N
H2,ain
+N
N2,ain
+N
H2O,ain
)*P
ain
/R/(Tc+b1)；其中N
N2,aout
为阳极出口氮气量，N
H2,aout
为阳极出口氢气量，N
H2O,aout
为阳极出口水量，P
aout
为阳极出口压力，R为气体常数，Th为冷却路出口温度Th＝Tc+ΔT，Tc为冷却路入口温度，b1为温度梯度，N
N2,ain
为阳极入口氮气量，N
H2,ain
为阳极入口氢气量，N
H2O,ain
为阳极入口水量，P
ain
为阳极入口压力，Fa为阳极回流比率。2.根据权利要求1所述的阳极回路氮浓度设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S1.1、根据阴极入口压力、电堆跨膜压降，计算阳极入口压力P
ain
＝P
cin
+ΔPT，其中P
cin
为阴极入口压力，ΔPT为电堆跨膜压降，P
ain
阳极入口压力；S1.2、根据阳极入口压力、各组分粘度、阳极出口氮比例、温度，计算阳极出口水比例f
H2O
＝P
sat,aout
/P
ain
,阳极出口氢比例fh＝1
‑
fn*(1
‑
f
H2O
)
‑
f
H2O
,阳极出口体积V
aout
＝(
‑
(((θ
H2,in
+θ
H2,out
)*fh+(θ
H2O,in
+θ
H2O,out
)*f
H2O
+(θ
N2,in
+θ
N2,out
)*fn*(1
‑
f
H2O
))*ff/n)
‑
((((θ
H2,in
+θ
H2,out
)*fh+(θ
H2O,in
+θ
H2O,out
)*f
H2O
+(θ
N2,in
+θ
N2,out
)*fn*(1
‑
f
H2O
))*ff/n)^2
‑
4*(fh*b2+(1
‑
fh)*b3)*(
‑
I/2/F*R*(Tc+b1)/P
ain
*ff*θ
H2,in
+b4*((θ
H2,in
+θ
H2,out
)*fh+(θ
H2O,in
+θ
H2O,out
)*f
H2O
+(θ
N2,in
+θ
N2,out
)*fn*(1
‑
f
H2O
))*ff/n))^0.5)/2/(fh*b2+(1
‑
fh)*b3)+b4，阳极出口压降ΔPa＝fh*(b5*(V
aout
‑
b4)^2
–
b6*(V
aout
‑
b4)+b7)+(1
‑
fh)*(b8*(V
aout
‑
b4)^2
–
b9*(V
aout
‑
b4)+b10)，以及阳极出口压力P
aout
＝P
ain
‑
ΔPa，其中，P
sat,aout
为阳极出口饱和蒸气压P
sat,aout
＝10^(a1
‑
a2/(a3+Th+b1))，P
ain
为阳极入口压力，ΔPa阳极出口压降，fn为阳极出口氮比例，f
H2O
阳极出口水比例，fh阳极出口氢比例，V
aout
为阳极出口体积，θ
H2,in
为氢气入口粘度，θ
H2,out
为氢气出口粘度，θ
H2O,in
为水气入口粘度，θ
H2O,out
为水气出口粘度，θ
N2,in
为氮气入口粘度，θ
N2,out
为氮气出口粘度，n为电池片数，I是电流密度，R为气体常数，F为法拉第系数，Tc是冷却路入口温度，ff是阳极压降系数,b1为温度梯度，b2,b3,b4是循环系数，b5,b6,b7,b8,b9,b10分别为增压系数,a1，a2，a3分别为饱和蒸气压经验系数；S1.3、根据阳极出口总量和阳极出口氢比例，计算阳极出口氢气量N
H2,aout
＝N
aout
*fh，和阳极入口氢气量N
H2,ain
＝N
H2,aout
+n*I/2/F，其中N
aout
为阳极出口总量，fh为阳极出口氢比例，F为法拉第系数，I为电堆电流密度,n为电池片数，N
H2,aout
阳极出口氢气量，N
H2,ain
阳极入口氢气量；S1.4、根据阳极出口氢气量和阳极出口氮比例，计算阳极出口氮气量N
N2,aout
＝阳极入口氮气量N
N2,ain
＝fn/(1
‑
fn)*N
H2,aout
，其中fn为阳极出口氮比例，N
N2,aout
阳极出口氮气量，N
N2,ain
阳极入口氮气量；S1.5、根据阳极出口压力、饱和蒸气压、阳极出口氢量和氮量，计算阳极出口水量N
H2O,aout
＝阳极入口水量N
H2O,ain
＝P
sat,aout
/P
aout
*(1
‑
P
sat,aout
/P
aout
)*(N
H2,aout
+N
N2,aout
)，其中P
sat,aout
为阳极出口饱和蒸气压，N
H2,aout
阳极出口氢气量，N
N2,aout
阳极出口氮气量，P
aout
阳极出口压力，N
H2O,aout
阳极出口水量；
优选地，所述步骤S2.3中阳极出口总量N
aout
＝V
aout
*P
aout
/R/(Th+b1)，其中Th为冷却出口温度，b1为温度梯度，R气体常数,V
aout
阳极出口体积，P
aout
阳极出口压；3.根据权利要求1或2所述的阳极回路氮浓度设计方法，其特征在于，所述步骤S2计算阳极回路氮浓度C
N2,ave
后，计算C
N2
和目标氮浓度C
N2,t
的差值|C
N2
‑
C
N2,t
|，当|C
N2
‑
C
N2,t
|小于阈值，判断收敛，计算结束，当|C
N2
‑
C
N2,t
|大于等于阈值，判断不收敛，更新阳极出口氮比例fn＝C
N2,t
/C
N2
*fn，重复计算阳极回路氮浓度。4.一种阴极容差压降设计方法，其特征在于，包括：T1、根据输入参数计算阴极入口氮气量N
N2,cin
，阴极入口氧气量N
O2,cin
，阴极总出口体积量V
cout
，阴极出口压力P
cout
；T2、计算增湿器湿气端压降ΔP
增湿w
＝k1*V
cout
，增湿器湿气端下游压力Pwo＝P
cout
‑
ΔP
增湿w
，阴极管阀门压降ΔP
阀门
＝(32*N
O2,cin
+28*N
N2,cin
)^2/Pwo*k3，阴极出口管路压降ΔP
出口管
＝(32*N
O2,cin
+28*N
N2,cin
)^2/P0*k4，以及阴极出口管处压力Pend＝P0+ΔP
出口管
，其中ΔP
增湿w
为湿气端压降，k1增湿器压降系数，k3是阀门压降系数，k4是管路压降系数，P0为环境压力；T3、计算当前阴极容差压降ΔPerr＝Pwo
‑
ΔP
阀门
‑
Pend，来判定收敛，在当前ΔPerr
当前
和历史ΔPerr
历史
的差的绝对值小于阈值时，则计算收敛，结束计算，在当前ΔPerr
当前
和历史ΔPerr
历史
的差的绝对值大于等于阈值，计算不收敛，则更新P
cin
＝P
cin
‑
ΔPerr
当前
，重复阴极容差压降计算。5.根据权利要求4所述的阴极容差压降设计方法，其特征在于，所述步骤T1包括：T1.1、计算阴极入口氧气量N
O2,cin
＝n*I/4/F*αc，阴极出口氧气量N
O2,cout
＝N
O2,cin
*(αc
‑
1)/αc，其中I是电堆电流密度，F为法拉第系数，αc为阴极反应系数；T1.2、计算阴极入口氮气量N
N2,cin
＝阴极出口氮气量N
N2,cout
＝0.79/0.21*N
O2,cin
；T1.3、计算增湿器温度梯度T
hum
＝a13*(N
O2,cin
+N
N2,cin
)，阴极入口露点温度T
dp,cin
＝Th+b1
‑
T
hum
，阴极入口水分压P
H2O,cin
＝10^(a1
‑
a2/(a3+T
dp,cin
))，阴极入口水量N
H2O,cin
＝P
H2O,cin
/(P
cin
‑
P
H2O,cin
)*(N
O2,cin
+N
N2,cin
)，阴极出口估水量N
H2O,cout,app
＝P
sat,cout
/(P
cin
‑
P
sat,cout
)*(N
O2...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍不平，沈伟达，
申请(专利权)人：宁波赛轲动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：