CN115207417A - 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法 - Google Patents

一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115207417A
CN115207417A CN202210692555.1A CN202210692555A CN115207417A CN 115207417 A CN115207417 A CN 115207417A CN 202210692555 A CN202210692555 A CN 202210692555A CN 115207417 A CN115207417 A CN 115207417A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
fuel cell
chamber
inlet
cathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210692555.1A
Other languages
English (en)
Inventor
戴海峰
唐伟
魏学哲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Original Assignee
Tongji University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University filed Critical Tongji University
Priority to CN202210692555.1A priority Critical patent/CN115207417A/zh
Publication of CN115207417A publication Critical patent/CN115207417A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04305—Modeling, demonstration models of fuel cells, e.g. for training purposes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，包括以下步骤：S1、获取燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压数据；S2、获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据；S3、获取燃料电池双极板内部的温度采样数据；S4、构建四腔气体动态模型和电压模型；S5、基于四腔气体动态模型和电压模型将获取的数据导入后计算电流密度分布。与现有技术相比，本发明具有无需布置复杂传感器，计算方便，精度高等优点。

Description

一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法
技术领域
本发明涉及交通动力系统用大面积燃料电池状态监测技术领域，尤其是涉及一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法。
背景技术
由于无污染排放的特性，燃料电池在世界范围内受到越来越多的关注，燃料电池本质上是一种电化学装置，以氢气、氧气作为燃料，通过电化学反应(非燃烧)产生电能，燃料电池商业化仍然面对很多问题，包括成本过高、寿命过低，耐久性较差。随着燃料电池趋于更大的活性面积，燃料电池内部各组分的分布不均，导致燃料电池面内差异性进一步扩大，并且随着燃料电池片数的增加，燃料电池系统的一致性也会收到影响，最终导致燃料电池耐久性和寿命的降低。
随着燃料电池功率需求的不断提升，越来越多的厂商选择大活性面积的燃料电池单体来组成燃料电池电堆。与现有研究大多采用的25cm2活性面积的燃料电池相比，大面积的燃料电池在沿气体流道方向上，会出现明显的浓度衰减，一方面是由于面内气流分配的差异，另外一方面是由于氢氧反应不断消耗反应气体，进一步扩大大面积燃料电池面内反应气体的浓度差异。另外与实验室测试用的小面积燃料电池单片不同，大面积的燃料电池单片也意味着发热功率的增大和对外接触面积的增加，温度控制的要求和难度也会大大增加，因此一般车用质子交换膜燃料电池单片面内还会存在温度分布的差异，在2000mA/cm2时，燃料电池的冷却液出口温度比冷却液进口温度提高了接近4℃，而低电密时，燃料电池面内温度差异在0.5℃以内，燃料电池对温度的敏感性较高，高电流密度下的温度差异会显著影响电池面内的反应速率，因此需要一种能够适应于大面积燃料电池的电流密度分布计算方法，实时客观的反应出动态过程中电流的变化过程。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压数据；
S2、获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据；
S3、获取燃料电池双极板内部的温度采样数据；
S4、构建四腔气体动态模型和电压模型；
S5、基于四腔气体动态模型和电压模型将获取的数据导入后计算电流密度分布。
所述的步骤S1中，通过布置在燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压巡检仪获取电压数据。
所述的步骤S2中，通过燃料电池测试台获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据。
所述的步骤S3中，通过外接数采卡获取燃料电池双极板内部的温度采样数据。
所述的步骤S4中，四腔气体动态模型具体是在阴极/阳极通道中，根据氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理描述进出口的气体动力学过程，将所有物质视为理想气体。
所述的燃料电池采用阴极阳极交叉供气模式，在四腔气体动态模型搭建过程中将燃料电池划分成两个半电池，则有：
1)阴极入口腔体腔体1与阳极出口腔体腔体4共同组成一个半电池，即阳极出口半电池；
2)阴极出口腔体腔体2和阳极入口腔体腔体3共同组成另一个半电池，即阳极入口半电池；
3)两个半电池并联工作，反应气体流动为串联关系；
4)阴极新鲜空气先进入阳极出口半电池，在阳极出口半电池中发生反应后进入阳极入口半电池，之后再排出燃料电池；
5)阳极新鲜氢气先进入阳极入口半电池，在阳极入口半电池中发生反应后进入阳极出口半电池，之后再排出燃料电池；
6)阳极气体浓度变化或阴极气体浓度变化均会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。
对于阴极入口腔体腔体1，其状态方程为：
Figure BDA0003700712270000031
Figure BDA0003700712270000032
Figure BDA0003700712270000033
Figure BDA0003700712270000034
Figure BDA0003700712270000035
其中，
Figure BDA0003700712270000036
为腔体1内的氮气分压，
Figure BDA0003700712270000037
为腔体1内的氧气分压，Vca为腔体内体积，i1为阳极出口半电池中的电流，A为有效活性面积，F为法拉第常数，N为电池片数，R为气体常数，
Figure BDA0003700712270000038
为入口空气的摩尔流量，
Figure BDA0003700712270000039
为阴极入口流量的空气氧摩尔分数，其根据阴极入口相对湿度为60％计算，
Figure BDA00037007122700000310
为腔体1中的空气氧摩尔分数，
Figure BDA00037007122700000311
为腔体1和腔体2之间的摩尔流量，
Figure BDA00037007122700000312
为腔体1内氧气浓度，Tfc为燃料电池工作温度，t为时间，Pch1为腔体1内的气体压力，
Figure BDA00037007122700000313
为局部饱和蒸汽压；
对于阴极出口腔体腔体2，其状态方程为：
Figure BDA00037007122700000314
Figure BDA00037007122700000315
Figure BDA00037007122700000316
Figure BDA00037007122700000317
Figure BDA00037007122700000318
其中，
Figure BDA00037007122700000319
为腔体2内的氮气分压，
Figure BDA00037007122700000320
为腔体2内的氧气分压，
Figure BDA00037007122700000321
为阴极出口流量的空气氧摩尔分数，
Figure BDA00037007122700000322
为腔体2内氧气浓度，
Figure BDA00037007122700000323
为出口空气的摩尔流量，Pch2为腔体2内的气体压力，
Figure BDA00037007122700000324
为阴极流道中水蒸气分压，
Figure BDA00037007122700000325
为腔体2中的空气氧摩尔分数。
对于阳极入口腔体腔体3，其状态方程为：
Figure BDA00037007122700000326
Figure BDA0003700712270000041
Figure BDA0003700712270000042
其中，
Figure BDA0003700712270000043
为入口氢气的摩尔流量，
Figure BDA0003700712270000044
为阳极入口流量的氢气摩尔分数，其根据阳极入口相对湿度为40％计算，
Figure BDA0003700712270000045
为局部饱和蒸汽压，
Figure BDA0003700712270000046
为腔体3中的氢气压力，Van为阳极流道内体积，
Figure BDA0003700712270000047
为腔体3和腔体4之间的摩尔流量，
Figure BDA0003700712270000048
为腔体3中的空气氧摩尔分数，Pch3为腔体3中的气体压力；
对于阳极出口腔体腔体4，其状态方程：
Figure BDA0003700712270000049
Figure BDA00037007122700000410
Figure BDA00037007122700000411
其中，
Figure BDA00037007122700000412
为腔体4中的氢气压力，
Figure BDA00037007122700000413
为排除的氢气流量，Pch4为腔体4中的气体压力，
Figure BDA00037007122700000414
为腔体4中的空气氧摩尔分数。
所述的步骤S4中，电压模型具体为：
Figure BDA00037007122700000415
其中，Vfc为燃料电池实际电压，
Figure BDA00037007122700000416
为Nernst电势，vact为活化过电势，vohm为欧姆过电势，vconc为浓差过电势。
所述的Nernst电势
Figure BDA00037007122700000417
通过Nernst方程计算，则有：
Figure BDA00037007122700000418
其中，
Figure BDA00037007122700000419
为阳极氢气分压，
Figure BDA00037007122700000420
为阴极氧气分压，kE、kC分别为通过参数识别获取的经验参数；
所述的活化过电势vact由Tafel半经验公式和Henry定律计算，则有：
Figure BDA00037007122700000421
其中，
Figure BDA00037007122700000422
为阴极催化剂层三相反应界面的氧气溶解浓度，I为燃料电池的实际电流；
所述的欧姆过电势vohm为由质子通过交换膜的等效阻抗Rm引起的压降，则有：
vohm(Rm,I)＝I×Rm
Figure BDA00037007122700000423
其中，Lm为质子交换膜厚度，A为有效活性面积，λm为膜水含量，α为通过参数识别获取的经验参数；
所述的浓差过电势vconc的计算式为：
vconc(i)＝βei
其中，β、i分别为通过参数识别获取的经验参数，e为自然对数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明无需在电池内布置复杂的传感器系统，如PCB板来获取电流分布。
二、本发明仅需要获取常规的电池参数，就可以方便的计算电流分布。
三、本发明综合考虑阴极和阳极构建了四腔气体动态模型，能够覆盖阳极、阴极以及交换膜的反应特性，相比其他方法，具有更好的精度。
四、本发明构建的四腔气体动态模型，能够反映出动态过程中电流和电压的变化过程。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明多点电压采样示意图。
图3为本发明半电池假设。
图4为本发明温度采样布置示意图。
图5为本发明温度分布示意图。
图6为本发明模型精度对比示意图。
图7为本发明模型预测结果，其中，图(7a)为210A条件下电流和电压分布示意图，图(7b)为450A条件下电流和电压分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，本发明提供一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，本发明适用于大面积石墨板燃料电池，通过在阳极入口处和阳极出口处分别布置电压采样点，获取燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压；并且在电池双极板中布置温度传感器，获取电池中的温度分布，本发明针对大面积燃料电池单体面内不均匀性，基于多点电压数据、多点温度数据，建立燃料电池四腔气体动态模型和电压模型，分别获取燃料电池阳极入口处和阳极出口处的电流密度分布，该方法具体包括以下步骤：
S1、获取大面积燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压；
燃料电池阳极入口和阳极出口处的电压由电压巡检仪获取，输入燃料电池阳极入口处和阳极出口处的两个电压信息，并以此电压数据作为估算电流密度的主要参数。
本例中，以某大面积石墨板燃料电池为例，在各种测试工况下，获取两个位置的电压信息，并且当电流密度从100mA/cm2上升至2000mA/cm2时，两个位置的电压表现出较为明显的差异。
S2、获取燃料电池阳极入口流量、压力和相对湿度以及阴极入口流量、压力和相对湿度；
由于燃料电池测试台拥有气体流量控制、气体压力控制和气体湿度控制等功能，本例中采用燃料电池测试台直接获取这些参数。
S3、获取布置在双极板内部的温度采样数据；
其中，本实例中温度传感器布置方案如图4所示，在不同电流密度下，电池的面内温度分布会呈现较大的差异，如图5所示，在100mA/cm2的电流密度下，电池内部温度分布差异为0.3℃，当电流密度上升为2000mA/cm2时，电池内部温度分布差异为4.5℃。
S4、搭建四腔气体动态模型和电压模型；
四腔气体动态模型是在阴极/阳极通道中，应用氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理来描述进出口的气体动力学过程，将所有物质视为理想气体，其中，燃料电池采用的是阴极阳极交叉供气模式，在模型搭建过程，将燃料电池划分成两个半电池(如图3所示)：
1)阴极入口腔体腔体1和阳极出口腔体腔体4共同组成一个半电池，即阳极出口半电池；
2)阴极出口腔体腔体2和阳极入口腔体腔体3共同组成另外一个半电池，即阳极入口半电池；
3)两个燃料电池半电池并联工作，但反应气体流动是串联的关系；
4)阴极新鲜空气先进入阳极出口半电池，在阳极出口半电池中发生反应后进入阳极入口半电池，之后再排出燃料电池；
5)阳极新鲜氢气先进入阳极入口半电池，在阳极入口半电池中发生反应后进入阳极出口半电池，之后再排出燃料电池；
6)无论是阳极气体浓度变化还是阴极气体浓度变化，均会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。
对于阴极入口腔体腔体1，得到以下状态方程：
Figure BDA0003700712270000071
Figure BDA0003700712270000072
Figure BDA0003700712270000073
Figure BDA0003700712270000074
Figure BDA0003700712270000075
方程(1)-(5)是氧和氮的质量守恒方程，此外，本发明使用填充和排空模型来计算腔室压力，在此过程中不能消耗氮气，但两个腔室的氧气消耗率不同耗氧量改变氧气压力影响采样电压。
式中，
Figure BDA0003700712270000076
表示腔体1内的氮气分压，
Figure BDA0003700712270000077
表示腔体1内的氧气分压，Vca表示腔体1内体积，i1表示阳极出口半电池中的电流，A表示阳极出口处半电池活性面积，F表示法拉第常数，N表示电池片数，R表示气体常数，
Figure BDA0003700712270000078
表示入口空气的摩尔流量，取自测试台的质量流量传感器，阴极入口流量的空气氧摩尔分数
Figure BDA0003700712270000079
根据阴极入口相对湿度为60％来计算，阴极入口腔体1中的空气氧摩尔分数
Figure BDA00037007122700000710
Figure BDA00037007122700000711
是阴极入口腔体1和阴极出口腔体2之间的摩尔流量，
Figure BDA00037007122700000712
是阴极入口腔体1内氧气浓度，由于完全加湿假设，蒸汽分压等于局部饱和蒸汽压
Figure BDA00037007122700000713
它由燃料电池工作温度Tfc决定，则有：
Figure BDA00037007122700000714
对于阴极出口腔体2，得到以下状态方程：
Figure BDA00037007122700000715
Figure BDA00037007122700000716
Figure BDA00037007122700000717
Figure BDA0003700712270000081
Figure BDA0003700712270000082
式中，
Figure BDA0003700712270000083
表示腔体2内的氮气分压，
Figure BDA0003700712270000084
表示腔体2内的氧气分压，
Figure BDA0003700712270000085
表示阴极出口流量的空气氧摩尔分数，
Figure BDA0003700712270000086
为阴极出口腔体2内氧气浓度。
在本实例中，
Figure BDA0003700712270000087
和
Figure BDA0003700712270000088
根据达西定律计算，则有：
Figure BDA0003700712270000089
Figure BDA00037007122700000810
类似的，对于阳极入口腔体3，得到以下状态方程：
Figure BDA00037007122700000811
Figure BDA00037007122700000812
Figure BDA00037007122700000813
式中，
Figure BDA00037007122700000814
表示入口氢气的摩尔流量，取自测试台的质量流量传感器，阳极入口流量的氢气摩尔分数
Figure BDA00037007122700000815
根据阳极入口相对湿度为40％计算。同样由于完全加湿假设，蒸汽分压等于局部饱和蒸汽压
Figure BDA00037007122700000816
它由燃料电池工作温度Tfc决定：
对于阳极出口腔体4，得到以下状态方程：
Figure BDA00037007122700000817
Figure BDA00037007122700000818
Figure BDA00037007122700000819
同样，对比阳极流道，方程式中的
Figure BDA00037007122700000820
表示阳极入口腔体3和阳极入口腔体4之间的摩尔流量，在本实例中，
Figure BDA00037007122700000821
和
Figure BDA00037007122700000822
根据达西定律计算：
Figure BDA00037007122700000823
Figure BDA00037007122700000824
在本发明中，阴极入口腔体1和阳极出口腔体4共同组成一个半电池，阴极出口腔体2和阳极入口腔体3共同组成另外一个半电池，因此，无论是阳极气体浓度变化还是阴极气体浓度变化，都会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。
S5，将监测的数据导入模型中，计算电流分布；
为此，需要建立燃料电池内部压力、流量、温度与电流和电压等测量参数之间的关系，根据端电压模型，揭示了氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度、电流与电压的关系：
Figure BDA0003700712270000091
其中，Vfc为燃料电池实际电压，
Figure BDA0003700712270000092
为Nernst电势，vact为活化过电势，vohm为欧姆过电势，vconc为浓差过电势。
在理想情况下，不考虑损耗，Nernst电势可以使用Nernst方程进行计算：
Figure BDA0003700712270000093
其中，
Figure BDA0003700712270000094
为阳极氢气分压，
Figure BDA0003700712270000095
为阴极氧气分压，Tfc为电池温度。
活化过电势是指化学反应刚开始时，激活化学反应需要克服的阻力，虽然不论在阴极还是阳极均会有活化过电势产生，但阴极侧还原反应速率远小于氢气氧化速度，所以一般阴极决定活化过电位，据此，活化过电势可由Tafel半经验公式和Henry定律计算得到：
Figure BDA0003700712270000096
其中，kE为经验参数，其值由实验数据辨识得到，
Figure BDA0003700712270000097
为阴极催化剂层三相反应界面的氧气溶解浓度，I为燃料电池的实际电流。
欧姆过电势为由质子通过交换膜的等效阻抗Rm引起的压降，根据欧姆定律，可以通过以下公式计算：
vohm(Rm,I)＝I×Rm (25)
Figure BDA0003700712270000098
其中，Lm为质子交换膜厚度，A为电池有效活性面积，λm为膜水含量。
在高电流密度下，反应物或产物的传质受到阻碍，导致了浓差过电势，浓度电压损失可计算为：
vconc(I)＝βeI (27)
Figure BDA0003700712270000099
Figure BDA00037007122700000910
Δi＝i1-i2
本发明采用基于氧气分压、氢气分压、电池温度、氧气浓度的电压模型来分析电流分布差异，Δi为两个半电池的电流差，每个单元的双采样电压是27个方程的边界条件，
Figure BDA0003700712270000101
是腔体1中阴极催化剂层三相反应界面的氧气溶解浓度，i1是半电池1中的电流；
Figure BDA0003700712270000102
是腔体2中阴极催化剂层三相反应界面的氧气溶解浓度，i2是半电池2中的电流；Vfc1是半电池1中测得的电压；Vfc2是半电池2中测得的电压。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。显然，本行业的技术人员应该了解本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域内的技术人员可以在本发明主要思想内做其他变化，这些所引申出的显而易见的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、获取燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压数据；
S2、获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据；
S3、获取燃料电池双极板内部的温度采样数据；
S4、构建四腔气体动态模型和电压模型；
S5、基于四腔气体动态模型和电压模型将获取的数据导入后计算电流密度分布。
2.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S1中，通过布置在燃料电池阳极出口处和阳极入口处的电压巡检仪获取电压数据。
3.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S2中，通过燃料电池测试台获取燃料电池阳极入口处的流量、压力和相对湿度以及阴极入口处的流量、压力和相对湿度数据。
4.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S3中，通过外接数采卡获取燃料电池双极板内部的温度采样数据。
5.根据权利要求1所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S4中，四腔气体动态模型具体是在阴极/阳极通道中，根据氧、氮、氢、水蒸气质量守恒原理描述进出口的气体动力学过程，将所有物质视为理想气体。
6.根据权利要求5所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的燃料电池采用阴极阳极交叉供气模式，在四腔气体动态模型搭建过程中将燃料电池划分成两个半电池，则有：
1)阴极入口腔体腔体1与阳极出口腔体腔体4共同组成一个半电池，即阳极出口半电池；
2)阴极出口腔体腔体2和阳极入口腔体腔体3共同组成另一个半电池，即阳极入口半电池；
3)两个半电池并联工作，反应气体流动为串联关系；
4)阴极新鲜空气先进入阳极出口半电池，在阳极出口半电池中发生反应后进入阳极入口半电池，之后再排出燃料电池；
5)阳极新鲜氢气先进入阳极入口半电池，在阳极入口半电池中发生反应后进入阳极出口半电池，之后再排出燃料电池；
6)阳极气体浓度变化或阴极气体浓度变化均会导致燃料电池内部电流和电压的再分配。
7.根据权利要求5所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，对于阴极入口腔体腔体1，其状态方程为：
Figure FDA0003700712260000021
Figure FDA0003700712260000022
Figure FDA0003700712260000023
Figure FDA0003700712260000024
Figure FDA0003700712260000025
其中，
Figure FDA0003700712260000026
为腔体1内的氮气分压，
Figure FDA0003700712260000027
为腔体1内的氧气分压，Vca为腔体内体积，i1为阳极出口半电池中的电流，A为有效活性面积，F为法拉第常数，N为电池片数，R为气体常数，
Figure FDA0003700712260000028
为入口空气的摩尔流量，
Figure FDA0003700712260000029
为阴极入口流量的空气氧摩尔分数，其根据阴极入口相对湿度为60％计算，
Figure FDA00037007122600000210
为腔体1中的空气氧摩尔分数，
Figure FDA00037007122600000211
为腔体1和腔体2之间的摩尔流量，
Figure FDA00037007122600000212
为腔体1内氧气浓度，Tfc为燃料电池工作温度，t为时间，Pch1为腔体1内的气体压力，
Figure FDA00037007122600000213
为局部饱和蒸汽压；
对于阴极出口腔体腔体2，其状态方程为：
Figure FDA00037007122600000214
Figure FDA00037007122600000215
Figure FDA00037007122600000216
Figure FDA0003700712260000031
Figure FDA0003700712260000032
其中，
Figure FDA0003700712260000033
为腔体2内的氮气分压，
Figure FDA0003700712260000034
为腔体2内的氧气分压，
Figure FDA0003700712260000035
为阴极出口流量的空气氧摩尔分数，
Figure FDA0003700712260000036
为腔体2内氧气浓度，
Figure FDA0003700712260000037
为出口空气的摩尔流量，Pch2为腔体2内的气体压力，
Figure FDA0003700712260000038
为阴极流道中水蒸气分压，
Figure FDA0003700712260000039
为腔体2中的空气氧摩尔分数。
8.根据权利要求7所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，对于阳极入口腔体腔体3，其状态方程为：
Figure FDA00037007122600000310
Figure FDA00037007122600000311
Figure FDA00037007122600000312
其中，
Figure FDA00037007122600000313
为入口氢气的摩尔流量，
Figure FDA00037007122600000314
为阳极入口流量的氢气摩尔分数，其根据阳极入口相对湿度为40％计算，
Figure FDA00037007122600000315
为局部饱和蒸汽压，
Figure FDA00037007122600000316
为腔体3中的氢气压力，Van为阳极流道内体积，
Figure FDA00037007122600000317
为腔体3和腔体4之间的摩尔流量，
Figure FDA00037007122600000318
为腔体3中的空气氧摩尔分数，Pch3为腔体3中的气体压力；
对于阳极出口腔体腔体4，其状态方程：
Figure FDA00037007122600000319
Figure FDA00037007122600000320
Figure FDA00037007122600000321
其中，
Figure FDA00037007122600000322
为腔体4中的氢气压力，
Figure FDA00037007122600000323
为排除的氢气流量，Pch4为腔体4中的气体压力，
Figure FDA00037007122600000324
为腔体4中的空气氧摩尔分数。
9.根据权利要求8所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的步骤S4中，电压模型具体为：
Figure FDA00037007122600000325
其中，Vfc为燃料电池实际电压，
Figure FDA00037007122600000326
为Nernst电势，vact为活化过电势，vohm为欧姆过电势，vconc为浓差过电势。
10.根据权利要求9所述的一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法，其特征在于，所述的Nernst电势
Figure FDA0003700712260000041
通过Nernst方程计算，则有：
Figure FDA0003700712260000042
其中，
Figure FDA0003700712260000043
为阳极氢气分压，
Figure FDA0003700712260000044
为阴极氧气分压，kE、kC分别为通过参数识别获取的经验参数；
所述的活化过电势vact由Tafel半经验公式和Henry定律计算，则有：
Figure FDA0003700712260000045
其中，
Figure FDA0003700712260000046
为阴极催化剂层三相反应界面的氧气溶解浓度，I为燃料电池的实际电流；
所述的欧姆过电势vohm为由质子通过交换膜的等效阻抗Rm引起的压降，则有：
vohm(Rm,I)＝I×Rm
Figure FDA0003700712260000047
其中，Lm为质子交换膜厚度，A为有效活性面积，λm为膜水含量，α为通过参数识别获取的经验参数；
所述的浓差过电势vconc的计算式为：
vconc(i)＝βei
其中，β、i分别为通过参数识别获取的经验参数，e为自然对数。
CN202210692555.1A 2022-06-17 2022-06-17 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法 Pending CN115207417A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210692555.1A CN115207417A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210692555.1A CN115207417A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115207417A true CN115207417A (zh) 2022-10-18

Family

ID=83576691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210692555.1A Pending CN115207417A (zh) 2022-06-17 2022-06-17 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115207417A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115966734A (zh) * 2022-12-29 2023-04-14 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略
CN116047303A (zh) * 2022-11-24 2023-05-02 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法
CN116093385A (zh) * 2022-12-29 2023-05-09 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种基于多点电压的燃料电池阳极氮气浓度估计方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116047303A (zh) * 2022-11-24 2023-05-02 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法
CN116047303B (zh) * 2022-11-24 2024-04-30 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种商业尺寸质子交换膜燃料电池均匀性全面分析方法
CN115966734A (zh) * 2022-12-29 2023-04-14 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略
CN116093385A (zh) * 2022-12-29 2023-05-09 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种基于多点电压的燃料电池阳极氮气浓度估计方法
CN115966734B (zh) * 2022-12-29 2024-04-02 海卓动力(青岛)能源科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池氢气浓度估计方法及控制策略

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6519539B1 (en) Measurement of fuel cell impedance
CN115207417A (zh) 一种大面积燃料电池电流密度分布计算方法
US8053131B2 (en) Apparatus and method for determining deterioration of a fuel cell and method for preventing deterioration of the same
US6698278B2 (en) Indirect measurement of fuel concentration in a liquid feed fuel cell
WO2016095238A1 (zh) 质子交换膜燃料电池电堆一致性的检测方法及检测装置
CN108736049B (zh) 一种燃料电池内部温度和湿度在线测量系统
US11973248B2 (en) Method for diagnosing degradation of fuel cell stack, method for multi-point analysis of fuel cell, and method for estimating performance of fuel cell membrane electrode
US20020177017A1 (en) Relative humidity sensor with compensation for changes in pressure and gas composition
US20120040264A1 (en) Hydrogen concentration sensor utilizing cell voltage resulting from hydrogen partial pressure difference
US8551664B2 (en) Fuel cell humidifier diagnostic
CN111731155B (zh) 氢燃料电池车氢耗的测量方法及装置
WO2006029254A1 (en) A diagnostic method for an electrochemical fuel cell and fuel cell components
CN114094146A (zh) 一种燃料电池质子交换膜的氢气渗透电流的测试方法
JP2005524216A (ja) 燃料電池スタックのλ検出
CN110854417A (zh) 氢燃料电池耐久性加速测试系统
CN215578649U (zh) 燃料电池水平衡测试系统
US20070279051A1 (en) Fuel Cell Current Distribution Measuring Equipment and Fuel Cell Current Distribution Measuring Method
CN114628745B (zh) 用于高温质子交换膜燃料电池的极化损失分离方法及系统
US8637199B2 (en) Fuel cell using organic fuel
US11289718B2 (en) Method for operating a fuel cell
CN114976131B (zh) 一种高温质子交换膜燃料电池性能测试系统及其方法
KR100766473B1 (ko) 연료전지 성능 분석 장치
KR101105364B1 (ko) 연료 농도 센서 및 센싱 방법, 이를 이용한 연료전지의 연료 재순환 시스템 장치 및 방법, 이를 이용한 연료전지 이용 장치
CN114171760A (zh) 结合仿真模型的燃料电池测试方法
CN114628740B (zh) 一种燃料电池电堆流体分配一致性的检测方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination