[发明专利]燃料电池输入输出特性的相似原理分析方法

说明书

燃料电池输入输出特性的相似原理分析方法，在给定的氢燃料电池数值模型的基础上，利用π定理和相似原理分别对模型参数与控制方程进行量纲分析和方程分析，其主要步骤：确定模型参数，确定各参数的量纲，并筛选出作为量纲分析的基本参数；利用π定理对模型参数进行量纲分析获得无量纲数；利用相似原理对模型控制方程进行分析获得无量纲数；将两种无量纲数进行比较，确定所研究燃料电池模型的无量纲数；定义无量纲电压和无量纲电流，用以表示无量纲极化曲线，通过该分析方法获得的无量纲极化曲线上的一个点，不仅仅是一个点，它代表了一组相似的工况，这样在实验阶段可以大大减少试验次数和实验时间，能够达到节约成本的效果。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，特别涉及燃料电池输入输出特性的相似原理分析方法。

背景技术

氢燃料电池使用氢气和氧气作为燃料，在不发生燃烧反应的情况下，能将反应物化学能转化为电能，并且产物是水，因此它是一种十分具有前景的清洁能源装置。同时它的无污染、低噪声、高效率等优点使其逐渐成为未来能源装置动力源的有力竞争者。燃料电池的输出特性受到数十个参数的影响，如果按照常规的实验方法，即使每个变量只变两次其他参数保持不变，也至少需要进行上亿次实验，这种实验设计方法显然是不现实的。如何大规模减少实验次数同时又能获得具有通用性的规律成为了从燃料电池科学研究到工程应用的一个难题。

自1988年Ticianelli等人第一次提出了氢燃料电池的极化曲线之后至今，共有超过十万篇关于燃料电池的论文及超过两万篇关于氢燃料电池的论文，文献中均采用该极化曲线对电池的输出特性进行描述。然而该极化曲线横纵坐标均以经典物理量表示，虽然直观但是缺少一般性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供燃料电池输入输出特性的相似原理分析方法，通过该分析方法可以获得无量纲的极化曲线。改变无量纲数的各组成量而使无量纲数的数值保持不变，获得的无量纲极化曲线上的一个点，不仅仅是一个点，它代表了一组相似的工况，这样在实验阶段可以大大减少试验次数和实验时间，能够达到节约成本的效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

燃料电池输入输出特性的相似原理分析方法，在给定的氢燃料电池数值模型的基础上，利用π定理和相似原理分别对模型参数与控制方程进行量纲分析和方程分析，其主要步骤包括：

1)确定模型参数，所述模型参数包括几何结构参数、物性参数和工况参数；

2)确定各参数的量纲，并筛选出作为量纲分析的基本参数；

3)利用π定理对模型具有量纲的所有参数进行量纲分析，获得无量纲数；

4)利用相似原理对模型控制方程进行分析，获得无量纲数，所述模型控制方程包括质量方程、动量方程、组分方程、离子势方程和电子势方程；

5)将两种方式获得的无量纲数进行比较，对比证明二者的一致性，必要时对于其中一种方式获得的无量纲数进行组合，以获得两者之间的关系，最终确定所研究燃料电池模型的无量纲数；

6)定义无量纲电压和无量纲电流，用以表示无量纲极化曲线。

在所得无量纲数各组成量变化，而无量纲数不变的情况下获得的各条无量纲极化曲线应该完全重合。

所述燃料电池数值模型为氢燃料电池平行流道的单相等温模型，所述步骤1)确定的几何结构参数、物性参数、工况参数如下：

几何结构参数：有量纲的参数为特征长度l，单位为m，无量纲的参数为孔隙率ε；