耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法与流程

技术特征：
1.一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，其包括以下步骤：第一步骤，构建质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池包括阳极流道、阴极流道和膜电极，所述膜电极包括阳极和阴极侧的气体扩散层gdl、微孔层mpl，催化层cl以及质子交换膜pem，质子交换膜燃料电池中的各组分包括氢气、氧气、氮气以及水蒸气，其中，构建各组分的组分扩散方程如下：其中，t为时间；为哈密顿算子；ε和s分别为多孔电极的孔隙率和液态水饱和度；c
i
为各组分摩尔浓度；d
ieff
为各组分的有效扩散系数；m
i
为各组分的摩尔质量；s
i
表示由电化学反应或相变造成的组分源项，其中，反应或相变造成的组分源项，其中，反应或相变造成的组分源项，其中，反应或相变造成的组分源项，其中，式中，j
a
和j
c
分别为阴阳极两侧的电化学反应速率；f为法拉利常数；s
v
为水蒸气组分扩散方程的源项；s
v-1
为气态水转化为液态水的源项；s
m-v
为膜态水转化为气态水的源项；i为h2、或o2、或n2、或水蒸气；agdl和cgdl分别代表阳极和阴极侧的气体扩散层；ampl和cmpl分别代表阳极和阴极侧的微孔层；acl和ccl分别代表阳极和阴极侧的催化层；gdls和mpls以及cls分别为阴阳极两侧的gdl，mpl和cl；第二步骤，构建质子交换膜燃料电池中多孔电极的液压守恒方程，其中，式中，ρ1，p1，μ1，k1分别代表液态水的密度，压力，粘度和相对渗透率；k为多孔介质的固有渗透率；s1为方程的源项，其为：其中，表示h2o的摩尔质量；第三步骤，构建质子交换膜燃料电池中膜态水守恒方程：
式中，ρ
pem
和ew分别表示膜的密度和当量重量；ω，λ和表示离聚物的体积分数，膜态水含量和有效扩散系数；s
mw
为膜态水方程的源项，其为：式中，s
eod
和s
p
分别代表由于电渗拖曳和液压渗透作用产生的源项；第四步骤，构建质子交换膜燃料电池中的能量守恒方程，式中，c
p，1
，c
p，g
和c
p，s
分别表示液体，气体和固体的比热容；t为温度；k
eff
代表有效导热系数；ρ
g
和ρ
s
分别为气体和固体的密度；s
t
为能量方程中的源项，分别由不同组件的反应热，欧姆热，相变热以及活化热组成，式中，j为垂直于膜方向上的体积电流密度；δs
a
和δs
c
分别为阴极和阳极两侧的熵差；η
ohm
和η
act
分别为欧姆和活化过电势；h为相变潜热；bps表示阴阳极两侧的双极板；第五步骤，构建电化学模型，在恒电流计算模式下，电池的输出电压为可逆电压减去活化、欧姆和浓差过电势：v＝e
rev-η
ohm-η
act，con
，，其中，e
rev
为可逆电压；η
act，con
为活化和浓差过电势；和为进口氢气和氧气的气压；和分别为电子通过极板和多孔电极骨架的面积比电阻；和分别代表质子通过催化层和膜中的面积比电阻；r为理想气体常数；i为运行的电流密度，
阳极侧的活化和浓差过电势通过以下式子求得：阳极侧的活化和浓差过电势通过以下式子求得：其中j
0，a
和分别为阳极体积交换电流密度和参考体积交换电流密度；为氢气浓度；为参考氢气浓度；α
a
和α
c
分别为阳极和阴极的转换系数；η
a
为阳极侧的活化和浓差过电势；第六步骤，构建阴极催化层结块模型，氧气从催化层孔隙中到pt催化剂表面间存在氧气阻力，氧气阻力为：其中，r1为氧气穿过液态水薄膜的扩散阻力；r
ion，int
为氧气进入离聚物表面的界面阻力；为氧气在离聚物中的扩散阻力；为氧气从离聚物中到pt颗粒表面的界面阻力；第七步骤，建立所述催化层结块模型的耦合关系，pt表面参加电化学反应的氧气浓度为：其中和分别表示pt表面和离聚物界面上的氧气浓度；i
local
为离聚物表面的局部电流密度，a
ion
为离聚物的比表面积；式中为亨利系数；为催化层孔隙中的氧气浓度，为催化层孔隙中的氧气浓度，其中，i
0，c
和为交换电流密度和参考交换电流密度；η
c
为阴极侧的活化和浓差过电势；w为能量参数；a
pt
为单位体积pt催化剂的表面积；θ
pt/o
为pt氧化的覆盖率；第八步骤：构建组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程和能量守恒方程的边界条件，其中组分扩散方程和液态守恒方程的两侧边界分别为狄利克雷边界和纽曼边界，分
别如下：别如下：p
1，agc/agdl
＝p
g，agc/agdl
，p
1，cgc/cgdl
＝p
g，cgc/cgdl
，式中，agc/agdl为阳极侧流道与扩散层的交接面；acl/pem为阳极侧催化层与质子交换膜的交接面；cgc/cgdl为阴极侧流道与扩散层的交接面；ccl/pem为阴极侧催化层与质子交换膜的交接面；c
i，in
和c
i，out
为组分的进口和出口浓度；p1和p
g
代表液体和气体压力；c
i
为所述的各组分摩尔浓度；c
i，agc/agdl
为阳极侧流道与扩散层的交接面上各组分摩尔浓度；c
i，cgc/cgdl
为阴极侧流道与扩散层的交接面上各组分摩尔浓度；膜态水守恒方程和能量守恒方程的边界条件采用纽曼边界和狄利克雷边界条件：t
agc/agdl
＝t0，t
cgc/cgdl
＝t0，其中，acl/ampl代表阳极侧催化层与微孔层的交界面；ccl/cmpl代表阴极侧催化层与微孔层的交界面；t
agc/agdl
为阳极侧流道与扩散层的交接面的温度；t
cgc/cgdl
为阴极侧流道与扩散层的交接面的温度；t0为燃料电池的运行温度；λ为前文的膜态水含量。2.根据权利要求1所述的一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，优选的，采用有限容积法离散所述组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程利能量守恒方程，具中扩散项基于二阶中心差分进行离散，纽曼边界条件采用附加源项法进行处理。3.根据权利要求2所述的一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，引入gauss-seidel方法对所述组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程和能量守恒方程迭代求解，其中，步骤1，设置电流密度，输入运行和结构参数，对各物理量场进行初始化；步骤2，基于物理量更新模型中所有需要的物性和源项；步骤3，依次求解各组分扩散方程；步骤4，求解液压守恒方程并内迭代获得多孔电极内的液态水饱和度；步骤5，求解膜态水守恒方程；步骤6，求解相互耦合的电化学模型和催化层结块模型；步骤7，判断电流密度是否到达极限电流密度，若达到则结束求解，若未达到则继续接下来的流程；步骤8，求解能量守恒方程；
步骤9，判断所述组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程和能量守恒方程是否达到残差标准，若达到则更新电流密度，以上一电流密度计算结果作为初始值开始下一电流密度的计算；若未满足收敛准则，对物理量进行超松弛或亚松驰更新，返回步骤2继续进行计算。4.根据权利要求1所述的一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，第六步骤中，氧气穿过液态水薄膜的扩散阻力r1为：其中为氧气在液态水中的扩散系数；为液态水的当量厚度：a
ion
＝4π(r
c
δ
ion
)2n
pt/c
，其中a
ion
为离聚物的比表面积；r
c
为碳载体的半径；δ
ion
和n
pt/c
分别为离聚物膜的厚度以及单位体积pt/c的数目，分别为：及单位体积pt/c的数目，分别为：其中ε
ion
和ε
pt/c
分别为离聚物和pt/c的体积分数，分别为离聚物和pt/c的体积分数，式中m
pt
，ξ
pt/c
和ζ
i/c
代表铂载量，pt/c质量比和i/c质量比；ρ
pt
和ρ
c
分别为铂和碳的密度；ε
c
为碳载体的体积分数；催化层的孔隙率由离聚物和pt/c的体积分数获得：ε
p
＝1-ε
ion-ε
pt/c
，氧气进入离聚物表面的界面阻力r
ion，int
通过以下关系获得：式中k1为界面阻力系数；为氧气在离聚物中扩散的扩散系数。5.根据权利要求4所述的一种耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，氧气在离聚物中的扩散阻力为
氧气从离聚物中到pt颗粒表面的界面阻力为：式中θ
pt/o
为pt氧化的覆盖率；k2表示pt表面吸附阻力系数；r
pt
表示pt颗粒的半径，a
ecsa
为电化学反应面积。

技术总结
公开了耦合催化层结块的质子交换膜燃料电池建模方法，方法中，质子交换膜燃料电池包括阳极流道和阴极流道和膜电极，所述膜电极包括阳极和阴极侧的气体扩散层、微孔层，催化层以及质子交换膜，质子交换膜燃料电池中的各组分包括氢气、氧气、氮气以及水蒸气，构建各组分的组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程、能量守恒方程，构建电化学模型，在恒电流计算模式下，电池的输出电压为可逆电压减去活化、欧姆和浓差过电势，构建阴极催化层结块模型考虑局部氧气传质损失，构建组分扩散方程、液压守恒方程、膜态水守恒方程和能量守恒方程的边界条件，并基于上述模型发展了一种高精度和高鲁棒性的迭代求解方法及流程。和高鲁棒性的迭代求解方法及流程。和高鲁棒性的迭代求解方法及流程。


技术研发人员：屈治国 王宁 张剑飞
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.10.14
技术公布日：2022/2/6