[发明专利]质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法，用于构建三维数值模型进行求解计算，步骤包括5部分：构建计算质子交换膜及催化层中，膜态水λ分布情况的守恒方程；构建计算气体扩散层、微孔层及催化层中水分布情况的守恒方程；求解燃料电池流道内液态水分布；定义流道与气体扩散层交界面两侧质量守恒；在整体计算域内构建能量守恒方程，获得温度分布。本发明利用两相流模型对质子交换膜燃料电池流道内的气液两相流动进行模拟计算，考虑表面张力和壁面吸附作用，并通过特定方法将其与膜电极(气体扩散层、微孔层、催化层及质子交换膜)内的气液两相流动进行结合，提供了一种通过数值计算预测给定工况下单个质子交换膜燃料电池内部整体水分布的方法。

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种用于对燃料电池的性能进行预测计算的方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学反应动力装置，具有零排放和高功率密度等优点，并被广泛认为是将来最有可能取代内燃机作为汽车动力源的动力机械。但是，目前质子交换膜燃料电池性能及寿命还存在很大的提升空间，其中水管理的优劣是影响其性能的关键因素之一。

之所以要对质子交换膜燃料电池进行水管理，是因其质子交换膜需要保持一定的水含量才能保持高性能，同时，由于质子交换膜燃料电池水仅在阴极产生，特定工况下(如：高电流密度)又有可能发生“水淹”现象，这样就会降低燃料电池性能。因此，通过燃料电池内部结构优化设计等方法保持内部动态水平衡是提升燃料电池性能及寿命的一个关键因素。

建模仿真是获取质子交换膜燃料电池内部水分布的一条重要途径，不仅可节约大量的实验成本，还可预测通过实验手段很难观测到的燃料电池实际工作时的实时水分布情况。然而，由于质子交换膜燃料电池各组成部件以及水在不同部件中存在形态的不同，一般很难同时获得电池内部整体水分布情况。目前常见的燃料电池内部水分布研究大多将燃料电池分为膜电极(其中又包括：气体扩散层(GDL)、微孔层(MPL)、催化层(CL)和质子交换膜(Membrane))和流道两部分，或忽略流道内液态水存在对膜电极水分布的影响，或仅研究流道内气液两相流动对燃料电池排水的影响，显然这两种研究方法均有其局限性，不能准确反映出质子交换膜燃料电池在特定工况下内部整体水分布情况。

本发明将提出一种基于数值计算的方法，对质子交换膜燃料电池内部电化学反应及导电过程、气液两相流动、膜吸放水和传热过程等进行综合分析，从而预测燃料电池内部水分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法，用于对质子交换膜燃料电池内部电化学反应及导电过程、气液两相流动、膜吸放水和传热过程等进行综合分析，从而预测燃料电池内部水的分布。

质子交换膜燃料电池内部水分布预测方法，用于构建三维数值模型进行求解计算，所述方法包括5个步骤：

(1)构建计算质子交换膜及催化层中，膜态水λ分布情况的守恒方程

其中：ρ_mem为质子交换膜干态密度，EW为当量质量；ω为Nafion电解质体积分数；F为法拉第常数；J_m为矢量离子电流密度；为有效扩散系数；S_mw为源项，由膜态水和液态水之间相变S_d-l和质子交换膜两侧压力不同导致的渗透S_p两部分组成。S_mw的具体表达式为：

(2)构建计算气体扩散层、微孔层及催化层中水分布情况的守恒方程