一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，包括以下步骤：步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型；步骤2：对已经构建完成的整体模型实施。本发明专利技术能提高准确性，并能降低研发成本。成本。成本。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法。

技术介绍

[0002]燃料电池在实际工作过程中是一个涉及流体力学、传热学以及电化学等多物理域、多输入耦合的复杂非线性动态系统；从电极到单体电池再到电堆，涵盖微观、介观、宏观多尺度的物理化学机理。想要通过实验手段对燃料电池进行精确的行为描述并实现对其的精确控制具有很大难度。因此，若要对其进行深入研究，建模并对其性能进行仿真分析是一种直观且快速的手段，而模型的准确程度在燃料电池系统设计开发过程中对其性能的预测也尤为重要。
[0003]目前针对燃料电池/堆的建模方法主要有以下几类：
[0004]a、从建模原理角度，分为机理模型、半经验模型、经验模型、等效电路模型与数据驱动(智能)模型；
[0005]其中，机理模型构建复杂且计算成本高、半经验模型对机理描述不够完整、经验模型缺乏内部机理特性的描述且精度一般、等效电路模型采用电子元件模拟实际特性无法真实反应内部机理、数据驱动(智能)模型需要大量的数据集作支撑亦无法分析内部具体参数对电池的影响；
[0006]b、从建模空间维度角度，分为一维模型、二维模型与三维模型；
[0007]c、从建模的面向对象角度，分为面向系统设计分析的分布参数模型和面向控制器设计的集总参数模型；
[0008]基于建模仿真工具建立的面向系统设计分析的分布参数模型通常很难直接进行复杂的控制器设计、基于常微分方程建立的面向控制器设计的集总参数模型通常忽略燃料电池内部因空间位置而引起的状态分布的变化等。

技术实现思路

[0009]为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型；
[0013]步骤2：对已经构建完成的整体模型实施，
[0014]包括以下步骤：
[0015]步骤2.1：基于燃料电池阳极气体和阴极气体实际物性参数，构建阳极反应气和阴极反应气的物性库；
[0016]步骤2.2：基于燃料电池/电堆的实际结构、反应机理及物化性能参数构建阳极流
场仿真模型、单体电池仿真模型、阴极流场仿真模型和电池堆温度仿真模型；
[0017]步骤2.3：将步骤2.1中建立的阳/阴极反应气物性库作为步骤2.2中阳/阴极流场仿真模型的输入源项，联立方程计算可得阳/阴极流场总压力及阳/阴极各组分气体压力，与电池温度仿真模型联立计算所得冷却液出/入堆温度项作为单体电池仿真模型输入项联立计算输出燃料电池系统运行电压/功率，并进行联立调试校核；
[0018]步骤2.4：针对步骤2.3中调试校核后的模型进行初始化运行；
[0019]步骤2.5：对实际燃料电池进行全工况测试，并将测试数据根据仿真模型所需输入参数分工况整理输入；
[0020]步骤2.6：将全工况实验数据输入初始化模型并进行多次仿真计算，对被控模型进行参数标定及调试校核；
[0021]步骤2.7：根据实际仿真需求判断是否进行瞬态运行工况仿真，
[0022]如是，则构建燃料电池电流动态拉载模拟模型并进行瞬态IV性能、电池温度的仿真及输出结果；
[0023]如否，则进行稳态IV性能、电池温度的仿真及输出结果。
[0024]优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，步骤1中的整体模型包括：
[0025]1、建立燃料电池的阳/阴极输入燃料气物性库模块，该模块通过对阳/阴极燃料气的组分、压力、温度、流量、各组分摩尔分数建立反应气体物性库，作为后续阳/阴极流场仿真模型的输入；
[0026]2、建立阳/阴极流场仿真模型，模拟阳/阴及气体扩散过程，该模块通过调用燃料气物性库的相关参数及自身体积和流量系数参数计算流场出口阳/阴极气体压力、流速、消耗量和组分分压；
[0027]3、建立燃料电池温度管理仿真模型，该模块通过输入入口冷却介质流速和温度、电池电流和电压及自身质量和比热容信息对电池内部运行过程中电池热量产出和损耗温度变化状态进行计算并输出；
[0028]4、建立单体电池电化学仿真模型，基于热力学、反应动力学、电荷传输、质量传输以及电压损失和极化曲线模拟燃料电池内部物理化学状态并计算输出工作电压和功率；
[0029]5、建立燃料电池/电堆模型，联立1至4中的模型并输入串联单体电池片数封装成为一个燃料电池/电堆模块，施加拉载电流计算电堆输出电压及功率。
[0030]优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，构成阳/阴极流场计算模型，包括以下步骤：
[0031]步骤1：调用阳/阴极反应气物性库，将阳/阴极气体流速、入堆压力、各组分气摩尔分量、气体温度作为阳/阴极流场计算的输入项；
[0032]步骤2：根据各组分气摩尔分量及气体体积分数计算得出各组分气质量分数，结合阳/阴极气体流速计算得出流场中各组分气质量流量；
[0033]步骤3：根据步骤2所得及各组分气相对分子质量、反应过程中转移电子数计算得出各反应气消耗速率；
[0034]步骤4：根据质量守恒定律及步骤3所得计算得出各气体组分含量，再结合理想气体状态方程，可得出各组分气体出堆分压及阳/阴极气体出堆压力；
[0035]步骤5：根据步骤4所得阳/阴极气体出堆压力、物性库中入堆压力以及实验测得阳/阴极流场流量系数计算得出阳/阴极气体出堆流量；
[0036]步骤6：根据步骤4所得各组分气体出堆分压以及步骤5所得阳/阴极气体出堆流量以及各组分气摩尔质量计算可得各组分气体出口质量流速。
[0037]优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，构建电池堆温度计算模型，包括以下步骤：
[0038]步骤1：通过实际测试获得燃料电池质量、平均比热容、密度物性参数，通过实际传感器采集电池/堆入口冷却介质流速、温度数据；
[0039]步骤2：根据氢气标准摩尔燃烧焓、电池节数、电池电流计算输出电池电化学反应功率；
[0040]步骤3：根据电池总电压、电流计算输出电池产电功率；
[0041]步骤4：根据电池电化学反应功率及产电功率计算输出电池产热功率；
[0042]步骤5：根据冷却液流量、比热容、密度、出入电池温差计算电池冷却液散热量；
[0043]步骤6：根据步骤1至步骤5所计算得出的各项数据，结合热平衡计算公式及电池比热容、质量计算得出电池出口冷却液温度。
[0044]优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，针对单体燃料电池/电堆运行机理仿真模型，
[0045]包括以下步骤：
[0046]步骤1：通过实际测试获得单体电池性能参数；
[0047]步骤2：基于燃料电池的实际本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型；步骤2：对已经构建完成的整体模型实施，包括以下步骤：步骤2.1：基于燃料电池阳极气体和阴极气体实际物性参数，构建阳极反应气和阴极反应气的物性库；步骤2.2：基于燃料电池/电堆的实际结构、反应机理及物化性能参数构建阳极流场仿真模型、单体电池仿真模型、阴极流场仿真模型和电池堆温度仿真模型；步骤2.3：将步骤2.1中建立的阳/阴极反应气物性库作为步骤2.2中阳/阴极流场仿真模型的输入源项，联立方程计算可得阳/阴极流场总压力及阳/阴极各组分气体压力，与电池温度仿真模型联立计算所得冷却液出/入堆温度项作为单体电池仿真模型输入项联立计算输出燃料电池系统运行电压/功率，并进行联立调试校核；步骤2.4：针对步骤2.3中调试校核后的模型进行初始化运行；步骤2.5：对实际燃料电池进行全工况测试，并将测试数据根据仿真模型所需输入参数分工况整理输入；步骤2.6：将全工况实验数据输入初始化模型并进行多次仿真计算，对被控模型进行参数标定及调试校核；步骤2.7：根据实际仿真需求判断是否进行瞬态运行工况仿真，如是，则构建燃料电池电流动态拉载模拟模型并进行瞬态IV性能、电池温度的仿真及输出结果；如否，则进行稳态IV性能、电池温度的仿真及输出结果。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：步骤1中的整体模型包括：1)、建立燃料电池的阳/阴极输入燃料气物性库模块，该模块通过对阳/阴极燃料气的组分、压力、温度、流量、各组分摩尔分数建立反应气体物性库，作为后续阳/阴极流场仿真模型的输入；2)、建立阳/阴极流场仿真模型，模拟阳/阴及气体扩散过程，该模块通过调用燃料气物性库的相关参数及自身体积和流量系数参数计算流场出口阳/阴极气体压力、流速、消耗量和组分分压；3)、建立燃料电池温度管理仿真模型，该模块通过输入入口冷却介质流速和温度、电池电流和电压及自身质量和比热容信息对电池内部运行过程中电池热量产出和损耗温度变化状态进行计算并输出；4)、建立单体电池电化学仿真模型，基于热力学、反应动力学、电荷传输、质量传输以及电压损失和极化曲线模拟燃料电池内部物理化学状态并计算输出工作电压和功率；5)、建立燃料电池/电堆模型，联立1至4中的模型并输入串联单体电池片数封装成为一个燃料电池/电堆模块，施加拉载电流计算电堆输出电压及功率。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：构成阳/阴极流场计算模型，包括以下步骤：
步骤1：调用阳/阴极反应气物性库，将阳/阴极气体流速、入堆压力、各组分气摩尔分量、气体温度作为阳/阴极流场计算的输入项；步骤2：根据各组分气摩尔分量及气体体积分数计算得出各组分气质量分数，结合阳/阴极气体流速计算得出流场中各组分气质量流量；步骤3：根据步骤2所得及各组分气相对分子质量、反应过程中转移电子数计算得出各反应气消耗速率；步骤4：根据质量守恒定律及步骤3所得计算得出各气体组分含量，再结合理想气体状态方程，可得出各组分气体出堆分压及阳/阴极气体出堆压力；步骤5：根据步骤4所得阳/阴极气体出堆压力、物性库中入堆压力以及实验测得阳/阴极流场流量系数计算得出阳/阴极气体出堆流量；步骤6：根据步骤4所得各组分气体出堆分压以及步骤5所得阳/阴极气体出堆流量以及各组分气摩尔质量计算可得各组分气体出口质量流速。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：构建电池堆温度计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕欣，周洪雷，董震，董清华，李刚，郭晓宇，
申请(专利权)人：苏州溯驭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：