【CN109873186A】质子交换膜燃料电池准二维模型建立方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910162441.4

(22)申请日 2019.03.05

(71)申请人 天津大学

地址 300072 天津市南开区卫津路92号

(72)发明人 焦魁　蒋杨　

(74)专利代理机构 天津盛理知识产权代理有限

公司 12209

代理人 董一宁

(51)Int.Cl.

H01M 8/04298(2016.01)

H01M 8/04992(2016.01)

(54)发明名称

质子交换膜燃料电池准二维模型建立方法

(57)摘要

本发明公开了一种建立质子交换膜燃料电

池的准二维模型建立方法，该模型的建立主要包

括：求解流道内传质方程、求解沿流道的局部电

流密度和电池输出电压、顺逆流进气模式下，准

二维模型的迭代求解等。由于电池运行时由于反

应气体的消耗，沿流道方向存在反应气浓度的下

降，催化层反应速率的变化使得电池沿流道方向

各节点电流密度不同。模型考虑了沿流道方向的

实际反应气体浓度分布，能够更好地反映电池运

行的局部特性，使模型物理过程更完整，提高了

模型的准确性和应用价值，特别有助于电堆及系

统级燃料电池模型的开发，推动燃料电池实际应

用领域的发展。模型的求解方法具有更好的收敛

性和计算效率，有助于模型快速稳定地对电池运

行情况进行预测。权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 109873186 A 2019.06.11

C N 109873186

A

1.一种建立质子交换膜燃料电池的准二维模型建立方法，其特征是：所述模型建立的具体步骤如下：

(1)求解流道内传质方程

稳态情况下，

流道内反应气体的完整传输过程由对流扩散方程表示：

式中，x和y分别表示垂直电池极板方向和沿流道方向；C GDL 为GDL内的反应气摩尔浓度；C ch 为流道内的气体摩尔浓度，不考虑流道截面上的气体浓度差异，此处C ch 仅在y方向上变化；u ch 为流道内的气体流速；d ch 为流道深度；为GDL内气体的有效扩散系数，式中等号左侧为垂直极板的x方向上通过流道进入气体扩散层的反应气体流通量；等号右侧两项依次为流道内气体的对流项和扩散项，

从流道上游到下游，流道被划分为N个相同尺寸的节点，各个节点对应的电流密度不同，

但均满足：

式中，I k 为各节点对应的电流密度；q k 为单位面积反应速率；阳极氢气反应的n＝2，阴极氧气反应的n＝4，将变量依次无量纲化为：

结合公式(1-1)和(1-2)得到无量

纲方程为：式中，L ch 为流道特征长度，取值为电池的极板长度；流道内对流强度和扩散强度的相对

大小可以由传质佩克莱数Pe表征:

当流道内对流占主导时，忽略流道内气体扩散的作用，

将方程简化为：

由(1-5)式求出的流道气体浓度分布为线性分布，适用于每个流道节点内，在节点1入

口处代入求得节点1内气体浓度分布，后续节点入口边界条件由上一节点求得的出口浓度给定，各节点内特征浓度由该节点进出口平均浓度表示；

(2)求解沿流道的局部电流密度和电池输出电压

流道各节点的局部电流密度I k 和输出电压V作为待求量，共有N+1个变量，变量满足：电池总的平均电流密度为给定值I；电池各节点处阴阳极电势差相等，这两个关系由下式(2-

1)和(2-2)表示：

权　利　要　求　书1/2页2CN 109873186 A