[发明专利]质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立的方法，包含以下四个步骤：(1)根据阳极尾气循环物理过程计算并更新阳极流道入口条件；(2)求解每一时刻流道内各处流速，氢气，水蒸气和氮气浓度；(3)求解每一时刻多孔电极方向氮气跨膜量和膜态水含量；(4)求解每一时刻电池各处局部电流密度和输出电压。该模型的建立可用来解决燃料电池(车)阳极尾气循环技术所产生的问题，包括优化电池自增湿手段和尾气循环造成的阳极氮气集聚等。可用于模拟不同电池结构，材料参数以及不同工况下电池自增湿效果，在此基础上可以量化提出有效的电池自增湿方案；并分析阳极氮气集聚对电池性能造成的影响。

技术领域

本发明属于电化学燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池中阳极尾气循环数学模型的建立方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)应用于汽车动力的可行性及其巨大潜力已被广泛认可，燃料电池车相关技术的发展也是世界各大车企所推动的热点研究问题和重要战略方针。

目前燃料电池车在技术上仍存在大量问题，包括PEMFC内需要足够的水以保证质子交换膜具有高电导率。通常采用反应气体进气加湿为电池增湿，进气加湿技术是目前确保PEMFC高性能、稳定功率输出的重要条件；而对于燃料电池车，进气增湿需要增设外部加湿器和水箱，这就增加了系统的体积和复杂程度，增湿也需要成本。由于阳极燃料氢气是温室气体，其尾气不能直接排放到大气，需经过气体循环装置将尾气中剩余的氢气循环利用。燃料电池电化学反应生成水，如果能够利用该生成水在无外设进气增湿的条件下，达到电池自增湿的目的则是人们之所求。另一方面，阴极的氮气会缓慢跨膜到阳极，由于阳极尾气循环造成无气体排出，长时间工作会造成跨膜氮气在阳极集聚而无法排出，占据阳极反应气体氢气空间，造成电池性能下降。

根据上述的阳极尾气循环工作过程的特点，如何通过分析阳极尾气循环的特征实现电池自增湿，并且掌握不同电池结构、材料参数、不同工况下电池自增湿的效果，对此本发明可提出有效的方案。通过对质子交换膜燃料电池阳极尾气循环工作过程进行数学建模计算，就可以量化分析阳极尾气循环下自增湿和渗透氮气对电池性能的影响。模型的建立可为燃料电池车的自增湿或无外增湿技术提供仿真支持，直接应用于燃料电池车的开发和实验测试。

发明内容

本发明的目的是，提出一种建立质子交换膜燃料电池阳极尾气循环工作过程仿真模型的方法，计算不同工况下阳极尾气循环工作的性能变化特征，为电池自增湿技术提供数据依据。质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型建立的方法，其中(1)利用多孔电极方向反应气体和水蒸气浓度瞬态变化，求解阳极催化层内当前时刻氢气浓度当前时刻氧气浓度和当前时刻水蒸气浓度(2)求解阴极催化层内当前时刻液态水体积分数(3)利用电化学反应机理求得活化损失η_act,a、欧姆损失η_ohm、和质子电导率σ_m。

质子交换膜燃料电池阳极尾气循环模型的建立包含以下四个步骤：

(1)根据阳极尾气循环物理过程计算并更新阳极流道入口条件；(2)求解每一时刻流道内各处流速，氢气，水蒸气和氮气浓度；(3)求解每一时刻多孔电极方向氮气跨膜量和膜态水含量；(4)求解每一时刻电池各处局部电流密度和输出电压。

其具体方法如下：

(1)阳极流道入口条件

阳极出口水蒸气通量：

阳极出口氮气通量：

式中：分别为该时刻阳极流道出口水蒸气和氮气通量；为出口流速；分别为出口水蒸气和氮气浓度。

阳极入口各气体组分浓度及流速：

入口氢气浓度：

入口水蒸气浓度：

入口氮气浓度：

入口流速：