CN109902435B - 质子交换膜燃料电池建模方法、存储介质及计算机设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种质子交换膜燃料电池建模方法、存储介质及计算机设备。其中，质子交换膜燃料电池建模方法，包括：利用电化学反应方程，构建燃料电池电堆模型；考虑反应物的热力学及流动状态的变化过程，构建阴极侧模型；所述阴极侧模型包括空气压缩机模型、热交换器模型、空气出气阀模型和阴极侧出入口气体流量关系模型；考虑氢气在流动过程中的热力学参数及流动状态的改变，构建阳极侧模型；所述阳极侧模型包括氢控制阀模型、引射器模型和阳极侧出入口流量关系模型。

Description

质子交换膜燃料电池建模方法、存储介质及计算机设备

技术领域

本公开属于燃料电池建模领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池建模方法、存储介质及计算机设备。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

燃料电池具有低污染、低排放、燃料来源广泛等优点，是一种理想的电能转换装置。燃料电池建模分析对燃料电池的性能进行分析和优化改进具有重要的指导意义；一套计算精度高及实时性强的分析模型是建模分析的基础。燃料电池模型主要包括PEMFC(proton exchange membrane fuel cell，质子交换膜燃料电池)电堆模块、阴极供气系统模块，阳极供氢系统模块及冷却循环系统模块等部分。

发明人发现，现有的燃料电池模型大部分在建模过程仅考虑了电化学方面的内容，而忽略了反应物质热力学及流动状态等对燃料电池的影响。燃料电池的基本功能是将化学能转换成电能，在这个过程中反应物质的热力学状态及流动状态都会出现变化。热力学及流动分析对于燃料电池的研究和建模极为重要，忽略热力学及流动状态等因素搭建的模型与实际燃料电池工作状态有一定误差，不利于对燃料电池进行精确分析和应用。

发明内容

本公开的第一个方面，提供一种质子交换膜燃料电池建模方法，其在建模过程中，不仅考虑到电化学方程，同时增加能够反映热力学及流动状态变化的算法，完善建模过程，使模型更贴近实际气体反应状态，数据更为准确和真实，使得模型计算结果更有意义。

本公开的一种质子交换膜燃料电池建模方法的技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池建模方法，包括：

利用电化学反应方程，构建燃料电池电堆模型；

考虑反应物的热力学及流动状态的变化过程，构建阴极侧模型；所述阴极侧模型包括压缩机模型、热交换器模型、空气出气阀模型和阴极侧出入口气体流量关系模型；

考虑氢气在流动过程中的热力学参数及流动状态的改变，构建阳极侧模型；所述阳极侧模型包括氢控制阀模型、引射器模型和阳极侧出入口流量关系模型。

本公开的第二个方面，提供一种计算机可读存储介质。

本公开的一种计算机可读存储介质的技术方案为：

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述所述的质子交换膜燃料电池建模方法中的步骤。

本公开的第三个方面，提供一种计算机设备。

本公开的一种计算机设备的技术方案为：

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的质子交换膜燃料电池建模方法中的步骤。

本公开的有益效果是：

(1)热力学参数与燃料电池性能关系密切，反应物及生成物的热力学特性对于预测燃料电池的性能非常重要，燃料电池输出电压和效率在很大程度上取决于系统的热力学特性。本公开提出的建模方法考虑燃料电池各反应物质的焓、比热容及熵等热力学参数，能够更加准确的预测电池系统的状态变量，如电压、温度、压力、体积及燃料的摩尔数量等，有利于提高模型的分析精度。

(2)反应物质的流动状态对燃料电池的工作有较大的影响，特别是对于PEMFC燃料电池而言，反应物质(氢气和空气)都具有可压缩性，本公开提出的建模方法加入了可压缩气体描述方法，更准确的反应物质在流动过程的状态变化，能够有效提高模型的分析精度，有利于增强模型的实用性，模型具有广阔的应用前景。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例提供的一种燃料电池系统布置示意图；

图2是本公开实施例提供的一种质子交换膜燃料电池建模方法流程图；

图3是本公开实施例提供的燃料电池模型总示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例的燃料电池系统为目前主流PEMFC燃料电池的系统结构，包括：阳极供氢系统、阴极供气系统、电堆模块及冷却循环系统。

其中，阳极供氢系统包括氢罐、减压阀、氢气控制阀及引射器部件。

阴极供气系统包括空气过滤器、空气压缩机、空气电磁阀、空气加热器及加湿器。空气加热器及加湿器两部件合称为换热器。

为了保证系统的可靠运行，供气系统还包括一套氮气吹扫系统，包括氮气罐、减压阀及控制阀。采用冷却循环系统保证电堆处于良好的工作温度，系统包括水箱、循环水泵、水净化装置及散热器部件。电堆模块由多片燃料电池串联构成，此外还包括阳极、阴极的进出口，冷却系统接口及负载输出接口等，构成一个完整的燃料电池系统。

如图2所示，本实施例的一种质子交换膜燃料电池建模方法，包括步骤1～步骤3。其中，步骤1～步骤3的顺序并没有限定，可以任意调整。

步骤1：利用电化学反应方程，构建燃料电池电堆模型。

所述燃料电池电堆模型还包括：

化学反应中的自由能变化和电压模型；

燃料电池的理论效率模型；

燃料电池电堆的能量守恒模型；

燃料电池可逆电压、电压损失和净输出电压模型。

(1)化学反应中的自由能变化和电压模型

进行电化学反应所能做的最大有效电功(W_ele)可由反应过程中吉布斯自由能的负变化-ΔG给出：

W_ele＝-ΔG (1.1)

根据热力学第二定律，当一个燃料电池做不可逆运行时，最大有效功的输出取决于温度，因此最大电能的输出W_ele为：

W_ele＝ΔG＝ΔH-TΔS (1.2)

式中，G是吉布斯自由能，H是内含的热量(也就是生成焓)，T是绝对温度，S是熵；ΔH表示内含的热量变化量，ΔS表示熵变化量。

系统中电能做功的电动势主要由电荷Q(库仑)通过电势差E(伏特)产生，其大小为：

W_ele＝E·Q (1.3)

如果电荷假设是由电子引起的，则：

Q＝n·N_a·e (1.4)

式中，n是传输电子的摩尔数，N_a是阿伏伽德罗常数，其值为6.022×10²³mol^-1，e是一个电子上电荷数，值为0.16×10^-18C。

结合公式(1.2)～(1.4)来计算燃料电池的最大可逆电压：

ΔG＝-n·N_a·e·E_r (1.5)

通过分析自由能，在25℃的标准条件下进行线性化，假设焓变不随温度变化，导出可逆电压和温度的关系：

式中，E_r是标准状态可逆电压，△G_rxn是反应中的自由能变化。

对于标准状态下的PEMFC燃料电池有：

(△H＝-285.8kJ/mol；△G＝-237.3kJ/mol)

在标准状态的压力和温度下，公式(1.9)是PEMFC燃料电池可获得的最高电压。

燃料电池可以在任何压力下运行，当氢气压力和氧气压力高于大气压的条件下运行时，往往具有一定的优势。有关压力的吉布斯自由能的关系可以写成：

dG＝V_m·dP (1.10)

式中，V_m是摩尔体积(m³/mol)，P是压力(Pa)。

对于理想气体：

PV_m＝RT (1.11)

因此，由公式(1.10)和公式(1.11)可得：

整理后得：

式中，G₀是标准状态(25℃，1atm压力)下的吉布斯自由能，P₀是标准压力(1atm)。

对于PEMFC燃料电池反应，能斯特方程变为：

因此燃料电池的电压以温度和压力的函数写成：

通过能斯特方程写成以下形式：

式中，E是实际电池开路电压，R是通用气体常量，α_i ^m是i类的电子活度，化学计量系数为m；P_i是i类物质的分压；i为氢气、氧气或水；

是氢气在反应中消耗的电子数。如果燃料电池在低于100℃下运行，假设水为液态，此时，E＝E_r。

(2)燃料电池的理论效率模型

一个理想燃料电池的效率可以通过最大功输出除以焓值得到，所以燃料电池的效率η_{fuel_cell}为：

燃料电池可以直接将化学能转换为电能。最大理论效率η_max可以通过下式计算得出：

对于氢气而言，效率η为：

式中n_ele，n_h分别是电子和氢气的摩尔流速，V_out是电池输出电压，ΔH_HHV＝285.8kJ/mol，表示氢气的高位热值。

(3)燃料电池电堆的能量守恒模型

燃料电池电堆的能量守恒可以简单地说是进入电堆的能量等于流出电堆的能量，任何电堆的热平衡方程可以写为如下的形式：

∑Q_in-ΣQ_out＝W_ele+Q_dis+Q_c (1.20)

式中，Q_in是进入电堆的反应气体的焓(热量)，Q_out是流出电堆的生成物和未反应完的反应气体的焓(热量)，W_ele是所产生的电功，Q_dis是电堆散到环境中的热量，Q_c是电堆冷却系统带走的热量。

另外一种用于燃料电池电堆能量守恒估计的方法，通过将化学反应的能量看成是热量与电功率的和：

式中，Q_gen是电堆产生的热功率(W)，n_cell是电堆中单电池的片数，V_cell是电堆电压，I表示电流。

(4)燃料电池可逆电压、电压损失和净输出电压模型

在一定电流密度下，燃料电池的净输出电压是可逆电压减去不可逆电池电压，可以写成：

V(i)＝V_rev-V_irrev (1.22)

式中，V_rev是最大(可逆)燃料电池电压，V_rev＝E_r，V_irrev是电池中的不可逆电压损失(过电位)。

在标准状态的压力和温度下，PEMFC燃料电池可获得的最高电压为：

由于电化学反应过程中的其他不可逆性，燃料电池实际输出的电功比最大有效功要小。这些不可逆性(不可逆电压损失)包括活化极化电压(v_act)、欧姆极化电位(v_ohmic)及浓差极化电位(v_conc)，这些电位加起来就是不可逆电位：

V_irrev＝v_act+v_ohmic+v_conc (1.24)

燃料电池电势和电流度的关系如式(1.25)：

式中，α是电荷传输系数，用以描述改变电化学反应速度所需的电能；i_L是每单位催化剂表面积上的极限电流密度；i_ext为阴极活化极化电流，i_loss为阳极活化极化电流。

活化极化是克服催化表面上电化学反应所需的活化能而产生的过电势，可以表示为：

式中，i是每单位催化剂表面积的电流密度，i₀是每单位催化剂表面积上的反应交换电流密度。

材料对电荷流动的自然阻抗引起了欧姆极化，导致了电池电压的损失，电压的下降称为“欧姆损失”，包括电子电阻(R_elec)和离子电阻(R_ionic)两部分对燃料电池电阻的作用，可描述为：

v_ohmic＝iR_ohmic＝i(R_elec+R_ionic) (1.27)

式中，R_ionic是电解质的离子阻抗，R_elec是包括双极板、电池互连、接触以及电子流经的其他电池组成部件的电阻。

发生在催化剂层的电化学反应消耗反应物，导致浓度下降，催化剂层中的反应物以及生成物的浓度差值决定浓差损失的程度和大小。为了计算因催化剂层处反应物消耗而导致的电压损失，浓差极化损失表示如下：

式中，C₀是气体扩散层浓度，C_i是催化剂层浓度。

(5)可压缩气体方程模型

由上述对燃料电池电堆的电化学分析可知，燃料电池的电压受到各不可逆电压的影响，而各不可逆电压受到反应气体状态(温度、压力等热力学状态)的影响。为了提高模型的分析精度，本实施例考虑到热力学及流动过程对燃料电池输出的影响，增加相关热力学及流动过程的描述算法，如可压缩气体方程。

在构建燃料电池电堆模型的过程中，还考虑热力学及流动过程对燃料电池输出的影响，构建出可压缩气体方程模型。

准确的气体状态(温度、压力等)对于燃料电池建模过程具有着重要影响，本发明考虑气体热力学，如阴、阳极气体各组分的摩尔分数以及状态，计算混合气的平均摩尔质量，合理地计算混合气输入输出的实际气体状态(温度、压力等)。通过获得较准确的气体状态值，可以使模型所输出的性能指标(电流、电压、电能等)更为准确，为燃料电池的性能分析及优化奠定基础，相关内容如下所述。

利用理想气体方程建立空气和氢气系统的模型：

Δh＝c_pΔT (1.29)

式中，C_p是定压比热容。

利用式(1.29)中给出的一个多变过程方程和(1.30)给出的T₁/T₂比值的状态方程来计算压力：

式中，n为多变系数，m为质量，V为体积，P为压力，R为特定气体常数[Nm/(Kg·K)]带有1的变量指的是初始条件，即P₁＝1[Bar]，结合以上公式求得

通过对时间求导，

和

的关系被找到：

利用理想气体定理，用P₁V/(RT₁)代替m₁，可得：

特定气体常数

取决于物质的浓度和摩尔质量，如下式所示，分别表示空气侧和氢气侧的特定气体常数：

式中，

是气体常数，取8314.5[J/(kmol·K)]，x_i是各物质的摩尔分数，x_i＝c_i/c,c是浓度[kmol/m³]，M_i是各物质的摩尔质量[kg/kmol]。

步骤2：考虑反应物的热力学及流动状态的变化过程，构建阴极侧模型；所述阴极侧模型包括压缩机模型、热交换器模型、空气出气阀模型和阴极侧出入口气体流量关系模型。

空气在阴极先后流经空气压缩机、热交换器(包括加热器和加湿器)及空气出气阀(电磁喷嘴)，各部分模型的建立均考虑了反应物的热力学及流动状态的变化过程。

(1)压缩机模型

对压缩机气体进行热力学分析可知，根据气体进入压缩机进行压缩而产生的压力变化，建立压缩机气体热力学方程，对压缩机的输出流量、输出功及效率进行相关描述。

压缩机的输出流量Q_comp是用频率f_comp和压差(P₂-P₁)来表示：

式中，K_xQ(x＝1,2,3,4)为常数，f_comp为压缩频率。

将

代入式(2.1)，可得：

式中u_comp是输入压缩机的控制电压，ρ_standard,air是标准状态下空气的密度。

压缩机的电功表达式为：

式中K_np(n＝1,2,3,4)是常数，压缩机的效率可用下式表示：

(2)热交换器模型

热交换器模型的构建依据是：根据在进入燃料电池之前对进入的空气进行加热和加湿的过程气体热力学状态发生相应变化，建立热交换器的描述表达式。

对热交换器工作过程进行热力学分析可知，气体常数R_gas,1取决于压力、温度和相对湿度，但变化相对较小，因此假设该值为常数。

因此，换热器的描述表达式为：

式中，m，V₁，P₁，T₁分别表示进入热交换器气体的质量、体积、压力和温度。

(3)空气出气阀模型

空气出气阀模型的构建依据是：基于实际流动状态确定的流量方程相关因子搭建的空气出口阀模型。

出气阀为流量电磁控制阀，空气通过阀门时的流量与压力、温度及密度等参数都有关系，其热力学状态表达式可以描述为：

式(2.6)中，Q[Nm³/s]为标准大气压下的流量；F＝γ/1.4比热系数比；SG＝1，比重；

膨胀系数；流动系数C_v值由测量值决定，取决于阀门的几何形状和阀针的位置。对于给定的阀门，它完全取决于阀针的位置，因而取决于施加在阀门上的控制电压；P_u,t[Pa]是上游压力，P_d,t[Pa]是下游压力，压降系数

T_u,t[K]是上游温度，x_T是限流系数；

是标准状态下的质量流量，P₁是上游压力。

对空气出气阀的空气流动过程进行分析可知，膨胀系数Y还包括可压缩流体比热系数比F对流量的影响。对于空气，F和SG在中等温度和压力下都等于1。在进口压力和温度恒定的情况下，当x_t＝x_T和Y＝2/3时，上述方程预测的流量最大。如果x_t值超过x_T，则称为阻塞流。在声速下，当收缩阀处射流达到最大截面积时，就会发生堵塞。无论下游压力在此点之后如何降低，流量都不会进一步增加。

(4)阴极侧出入口气体流量关系模型

阴极侧出入口气体流量关系模型的构建依据是：考虑水蒸气组分影响的阴极侧出入口流量关系。

分析阴极侧出入口处气体状态、质量流量等，除了考虑氧气及氮气的气体状态及质量流量，还需包括水蒸气的质量流量，缺少水蒸气组分，会影响阴极输出空气的质量流量以及分压等，不利于对混合气的实际反应消耗进行分析。

考虑到水蒸气组分对阴极侧气体的影响，具体分析如下所述。

氧气质量流量为：

空气质量流量为：

式中，

是O₂在空气所占组分比。

氮气质量流量为：

氧气入口处的水蒸气质量流量为：

空气入口处的水蒸气质量流量为：

反应的氧气质量流量：

出口处的氧气质量流量为：

出口处的氮气质量流量为：

阴极尾排气中的水流量

等于输入电池的水量

反应生成的水量

膜中的水变化量

及渗透量的总和

阴极出口处的水蒸气流量：

出口处的空气质量流量为：

其中，

是氧气的化学计量比；M_i是i物质的摩尔分子量，i为空气air、氧气O₂、氢气H₂和水H₂O；

是O₂出入电堆的方向在空气所占组分比；P是气体压强，下标ca代表阴极气体；P_vs是气体的饱和压强；T是气体温度；P_ca表示阴极侧的压力，ΔP_ca表示在阴极一侧的压降；T_out,ca表示阴极气体在出电堆的方向的气体温度；

是气体相对湿度，下标ca代表阴极气体。

步骤3：考虑氢气在流动过程中的热力学参数及流动状态的改变，构建阳极侧模型；所述阳极侧模型包括氢控制阀模型、引射器模型和阳极侧出入口流量关系模型。

氢控制阀用于实现对新鲜氢气供应量的调节，流经氢控制阀的新鲜氢气及引射器回收的氢气混合，流至电堆阳极的入口；在电堆内部反应后，未用的氢气经电堆阳极出口流出。本发明提出的建模方法，考虑了氢气在上述流动过程中的压力及温度等热力学参数及流动状态的改变。

(1)氢控制阀模型

依照实际流动状态确定的流量方程相关因子，进而搭建了氢控制阀模型。

式(3.1)中给出的流量公式是描述通过阀门的流量的控制方程:

式中，q[SCMS]是标准大气压下的流量，P₁[KPa]是上游压力；

T₁[K]是上游温度；SG是氢的比重为0.07；C_V是一个阀门常数，为0.058。

(2)引射器模型

基于气体流动时马赫数与流量的关系，以及气体压力与温度的关系，得到喷嘴内质量流动的表达式，进而搭建引射器模型。

引射器消耗的质量流量可以描述为：

式中，P₁是引射器前的滞止压力；P₂是引射器后的背压；T₀是引射器前的停滞温度；n是等熵系数；R_H2是比气体常数；A是汇流喷嘴末端的面积。

对引射器工作时的流动过程进行分析，当声速从收敛的喷管中流出时，P₂/P₁的比值限制在最大为1.89。从这一点开始，上游压力必须增加，以增加通过引射器的质量流量。

引射器建模分为两个部件，一个收敛喷嘴和一个管，其中应用动量方程以确定吸入流量。通过收敛喷嘴的流量由P₁与P₂的压力比决定。在式(3.3)中，假设绝热和等熵流时，计算马赫数和压力比之间的关系：

式中，T₁是喷嘴前滞止温度；Ma是马赫数。收敛式喷嘴的流量限制是当出口气体达到声速流动时的流量。这意味着当Ma＝1时，最大压比由(3.3)式确定；当n＝1.4时，最大压力比为1.89。利用上述方程中马赫数与流量的关系，以及压力与温度的关系，可以得到一个描述喷嘴内质量流动的公式：

式中，T是温度，v是速度，

是特定气体常数。

推导的质量方程为：

当P₂/P₁通过降低背压P₂而下降时，函数迅速上升，在声速最大压力比为1.89时达到平衡。进一步减小背压不会增加流量。然而，通过增加滞止压力，质量流量增加。

对引射器工作时的流动过程进行分析，可知在该模型中，由于流速较小，滞止压力假设为喷嘴前气体体积V₁的静压。

为了补偿P₂因突然收缩而造成的压力损失，采用了下述方程：

式中，ΔP是压力损耗，K_L是损耗系数，m₁是消耗流量，m₂是吸入流量，A₃是混合体积的面积。

(3)阳极侧出入口流量关系模型

在阳极出入口的质量流量以及分压方程中增加水蒸气影响表达式，得到阳极侧出入口流量关系模型。

对阳极侧出入口处气体状态、质量流量等进行分析时，亦需包括水蒸气的质量流量，如果不考虑水蒸气组分的变化，混合气的质量流量、分压都会受到影响，无法准确计算出反应真正所需反应气的变化状态，不能根据反应状态来合理地改变进气流量及分压等，不利于后续对反应进行控制策略分析。

对阳极侧气体的分析中，考虑到水蒸气组分，增加了水蒸气变化的相关方程，具体分析如下所述。

氢气质量流量为：

式中，

是质量流量；S是化学计量比；M是物质的摩尔分子量，下标H_2,in代表该物质组分即出入电堆的方向；I是电流；n_cell是单电池片数。

氢气入口处的水蒸气质量流量为：

式中，

是气体相对湿度，下标ca和an分别代表阴极和阳极气体；P_vs是气体的饱和压强；T是气体温度；P是气体压强。

反应的氢气质量流量：

出口处的氢气质量流量为：

阳极出口处的水蒸气流量：

式中，P_an表示阳极侧的压力，ΔP_an表示在阳极一侧的压降，阳极液态水流量

等于出口水量

与水蒸气流量

的差值：

阳极出口处的气体质量流量为：

图3为根据本实施例提出的建模方法搭建的燃料电池模型，根据图1燃料电池实际系统布置图以及相应算法搭建了PEMFC仿真模型，模型包括电堆模块、阴极供气系统模块，阳极供氢系统模块及冷却循环系统模块等部分。其中，电堆模块在搭建的过程中，除了考虑电化学的算法，还考虑了热力学及流动状态的算法，最终搭建的电堆模型包括上述提到的化学反应中的自由能和电压模型、理论效率模型、能量守恒模型及净输出电压模型；考虑到PEMFC燃料电池的反应气体均具有可压缩性，模型中还包括了可压缩气体方程模型。

搭建的阴极侧模型涵盖了空气流经的主要部件，如空气压缩机、加热器及加湿器等的建模过程均考虑了空气的热力学及流动状态的变化过程。阴极侧出入口除了考虑氧气和氮气的气体状态外，还考虑到水蒸气的组分对阴极侧气体的影响，使得分析的结果更贴近燃料电池实际的工作状态。阳极侧模型包含了氢气流经的主要部件，如氢控制阀及引射器等，各部件的搭建同样考虑到热力学及流动状态的影响。考虑到阳极加湿或者回收的氢气含有一定水蒸气，在阳极侧出入口亦考虑了水蒸气的影响。通过在建模过程增加热力学和流动状态的影响，使得模型的分析更为准确合理。

实施例2

本实施例的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图2所示的质子交换膜燃料电池建模方法中的步骤。

实施例3

本实施例的一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如图2所示的质子交换膜燃料电池建模方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，包括：

利用电化学反应方程，构建燃料电池电堆模型；

考虑反应物的热力学及流动状态的变化过程，构建阴极侧模型；所述阴极侧模型包括压缩机模型、热交换器模型、空气出气阀模型和阴极侧出入口气体流量关系模型；阴极侧出入口气体流量关系模型的构建依据是：考虑水蒸气组分影响的阴极侧出入口流量关系；

考虑氢气在流动过程中的热力学参数及流动状态的改变，构建阳极侧模型；所述阳极侧模型包括氢控制阀模型、引射器模型和阳极侧出入口流量关系模型。

2.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，在构建燃料电池电堆模型的过程中，还考虑热力学及流动过程对燃料电池输出的影响，构建出可压缩气体方程模型。

3.如权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，所述燃料电池电堆模型还包括：

化学反应中的自由能变化和电压模型；

燃料电池的理论效率模型；

燃料电池电堆的能量守恒模型；

燃料电池可逆电压、电压损失和净输出电压模型。

4.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，压缩机模型的构建依据是：根据气体进入压缩机进行压缩而产生的压力变化，建立压缩机气体热力学方程，对压缩机的输出流量、输出功及效率进行相关描述。

5.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，热交换器模型的构建依据是：根据在进入燃料电池之前对进入的空气进行加热和加湿的过程气体热力学状态发生相应变化，建立热交换器的描述表达式。

6.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，空气出气阀模型的构建依据是：基于实际流动状态确定的流量方程相关因子搭建的空气出口阀模型。

7.如权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池建模方法，其特征在于，依照实际流动状态确定的流量方程相关因子，进而搭建了氢控制阀模型；

或基于气体流动时马赫数与流量的关系，以及气体压力与温度的关系，得到喷嘴内质量流动的表达式，进而搭建引射器模型；

或在阳极出入口的质量流量以及分压方程中增加水蒸气影响表达式，得到阳极侧出入口流量关系模型。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的质子交换膜燃料电池建模方法中的步骤。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的质子交换膜燃料电池建模方法中的步骤。

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