【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池过程模拟，尤其是涉及一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(pemfc)是目前的可替代传统内燃机最有前景的动力源之一。不过氢燃料电池汽车大规模推广应用仍然面临成本和寿命两大难题。在燃料电池中质子交换膜通常用来传导质子，与此同时隔离阳极燃料和阴极空气。理想状态下，质子交换膜仅允许质子通过并将氢氧化反应分解为两个电化学半反应。不过，随着质子交换膜性能的衰减发生，膜的分离作用减弱，少量氢气从阳极跨过膜到达阴极，直接与氧气发生化学或电化学反应，导致pemfc性能降低。
2、目前研究大多将电池当成黑箱，阳极通入氢气，阴极通入氮气，通过电化学方法测量氢渗量，该类实验方法无法直接反映电池运行过程中阳极氢气扩散到阴极空气中的氢渗量，而且难以揭示氢气在质子交换膜内部传递过程特征及时空分布，无法对氢渗量的具体过程进行分析。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了揭示氢气在质子交换膜内部传递过程特征及时空分布而提供的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，方法包括：
4、s1：构建包含功能层的燃料电池多物理场耦合模型；
5、s2：分析电池内部氢渗过程，建立氢渗过程子模型；
6、s3：基于数值方法，联合求解燃料电池多物理场耦合模型和氢渗过程子模型，模拟给定负载下电池内部氢渗过程；
7、
8、进一步地，s1中，功能层包括阳极双极板、阳极气流道、阳极扩散基底层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散基底层、阴极水流道以及阴极双极板。
9、进一步地，s2的具体步骤为：
10、分析电池内部氢渗过程，构建氢渗过程质量衡算方程，在氢渗过程质量衡算方程中分析阳极催化层孔隙中氢气进入离聚物的溶解过程、溶解氢在催化层内离聚物以及质子交换膜中对流和扩散输运过程以及到达阴极催化层后与氧气发生化学或电化学反应生成水的过程引起的质量变化，从而建立氢渗过程子模型。
11、进一步地，氢渗过程质量衡算方程为：
12、
13、其中，ch2,diss表示溶解氢浓度，t表示时间，dh2,diss表示溶解氢有效扩散系数，uh2,diss表示溶解氢气流速，sh2,diss表示催化层孔隙中氢气溶解到离聚物中的源项，sr,diss表示溶解氢和氧气反应源项。
14、进一步地，基于数值方法，联合求解燃料电池多物理场耦合模型和氢渗过程子模型的具体步骤为：
15、通过燃料电池多物理场耦合模型计算给定负载下的膜水浓度、温度、液态水压力以及氢气分压变量，联合氢渗过程子模型中扩散系数、流速及源项方程进行求解。
16、进一步地，数值方法的具体方法为：
17、有限体积法或有限元法或有限差分法或格子玻尔兹曼方法。
18、进一步地，给定负载包括电流驱动的稳态负载、电流驱动的动态负载、电压驱动的稳态负载和电压驱动的动态负载。
19、进一步地，求解得到的结果具体为：催化层离聚物和质子交换膜中溶解氢浓度和/或氢渗通量时空分布。
20、进一步地，基于求解得到的结果分析给定负载下氢渗时空分布特征采用的方法为图像分析法或灵敏度分析法或多元线性回归分析法。
21、进一步地，氢渗时空分布特征包括离聚物和质子交换膜中氢气浓度空间分布、离聚物和质子交换膜中氢气浓度随时间波动、氢渗通量空间分布以及氢渗通量随时间波动。
22、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
23、本专利技术考虑燃料电池内部氢气在电解质中溶解扩散以及反应等过程，分析阳极催化层孔隙中氢气进入离聚物的溶解过程、溶解氢在催化层内离聚物以及质子交换膜中对流和扩散输运过程以及到达阴极催化层后与氧气发生化学或电化学反应生成水的过程引起的质量变化，构建氢渗过程子模型，分析了氢气在质子交换膜内部传递过程特征，结合燃料电池多物理场耦合模型，通过模拟得到一定负载下pemfc运行过程中氢渗时空分布，确定了氢渗具体过程，揭示氢气在质子交换膜内部传递过程特征及时空分布，为提出减少氢渗的方法提供了基础。
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1.一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，S1中，功能层包括阳极双极板、阳极气流道、阳极扩散基底层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散基底层、阴极水流道以及阴极双极板。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，S2的具体步骤为：
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，氢渗过程质量衡算方程为：
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，基于数值方法，联合求解燃料电池多物理场耦合模型和氢渗过程子模型的具体步骤为：
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，数值方法的具体方法为：
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，给定负载包括电流驱动的稳态负载、电流驱动的动态负载、电压驱动的稳态负载和电压驱动的动态负载。
8.根据权利要求1所述的
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，基于求解得到的结果分析给定负载下氢渗时空分布特征采用的方法为图像分析法或灵敏度分析法或多元线性回归分析法。
10.根据权利要求9所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，氢渗时空分布特征包括离聚物和质子交换膜中氢气浓度空间分布、离聚物和质子交换膜中氢气浓度随时间波动、氢渗通量空间分布以及氢渗通量随时间波动。
...【技术特征摘要】
1.一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，s1中，功能层包括阳极双极板、阳极气流道、阳极扩散基底层、阳极微孔层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极微孔层、阴极扩散基底层、阴极水流道以及阴极双极板。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，s2的具体步骤为：
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，氢渗过程质量衡算方程为：
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，基于数值方法，联合求解燃料电池多物理场耦合模型和氢渗过程子模型的具体步骤为：
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池氢渗过程数值模拟方法，其特征在于，数值方法的...
【专利技术属性】
技术研发人员：王倩倩，明平文，崔国民，刘波，路万征，吴洁，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：
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