CN116231000A - 一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，包括以下步骤：步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型；步骤2：对已经构建完成的整体模型实施。本发明能提高准确性，并能降低研发成本。

Description

一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法。

背景技术

燃料电池在实际工作过程中是一个涉及流体力学、传热学以及电化学等多物理域、多输入耦合的复杂非线性动态系统；从电极到单体电池再到电堆，涵盖微观、介观、宏观多尺度的物理化学机理。想要通过实验手段对燃料电池进行精确的行为描述并实现对其的精确控制具有很大难度。因此，若要对其进行深入研究，建模并对其性能进行仿真分析是一种直观且快速的手段，而模型的准确程度在燃料电池系统设计开发过程中对其性能的预测也尤为重要。

目前针对燃料电池/堆的建模方法主要有以下几类：

a、从建模原理角度，分为机理模型、半经验模型、经验模型、等效电路模型与数据驱动(智能)模型；

其中，机理模型构建复杂且计算成本高、半经验模型对机理描述不够完整、经验模型缺乏内部机理特性的描述且精度一般、等效电路模型采用电子元件模拟实际特性无法真实反应内部机理、数据驱动(智能)模型需要大量的数据集作支撑亦无法分析内部具体参数对电池的影响；

b、从建模空间维度角度，分为一维模型、二维模型与三维模型；

c、从建模的面向对象角度，分为面向系统设计分析的分布参数模型和面向控制器设计的集总参数模型；

基于建模仿真工具建立的面向系统设计分析的分布参数模型通常很难直接进行复杂的控制器设计、基于常微分方程建立的面向控制器设计的集总参数模型通常忽略燃料电池内部因空间位置而引起的状态分布的变化等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，包括以下步骤：

步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型；

步骤2：对已经构建完成的整体模型实施，

包括以下步骤：

步骤2.1：基于燃料电池阳极气体和阴极气体实际物性参数，构建阳极反应气和阴极反应气的物性库；

步骤2.2：基于燃料电池/电堆的实际结构、反应机理及物化性能参数构建阳极流场仿真模型、单体电池仿真模型、阴极流场仿真模型和电池堆温度仿真模型；

步骤2.3：将步骤2.1中建立的阳/阴极反应气物性库作为步骤2.2中阳/阴极流场仿真模型的输入源项，联立方程计算可得阳/阴极流场总压力及阳/阴极各组分气体压力，与电池温度仿真模型联立计算所得冷却液出/入堆温度项作为单体电池仿真模型输入项联立计算输出燃料电池系统运行电压/功率，并进行联立调试校核；

步骤2.4：针对步骤2.3中调试校核后的模型进行初始化运行；

步骤2.5：对实际燃料电池进行全工况测试，并将测试数据根据仿真模型所需输入参数分工况整理输入；

步骤2.6：将全工况实验数据输入初始化模型并进行多次仿真计算，对被控模型进行参数标定及调试校核；

步骤2.7：根据实际仿真需求判断是否进行瞬态运行工况仿真，

如是，则构建燃料电池电流动态拉载模拟模型并进行瞬态IV性能、电池温度的仿真及输出结果；

如否，则进行稳态IV性能、电池温度的仿真及输出结果。

优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，步骤1中的整体模型包括：

1、建立燃料电池的阳/阴极输入燃料气物性库模块，该模块通过对阳/阴极燃料气的组分、压力、温度、流量、各组分摩尔分数建立反应气体物性库，作为后续阳/阴极流场仿真模型的输入；

2、建立阳/阴极流场仿真模型，模拟阳/阴及气体扩散过程，该模块通过调用燃料气物性库的相关参数及自身体积和流量系数参数计算流场出口阳/阴极气体压力、流速、消耗量和组分分压；

3、建立燃料电池温度管理仿真模型，该模块通过输入入口冷却介质流速和温度、电池电流和电压及自身质量和比热容信息对电池内部运行过程中电池热量产出和损耗温度变化状态进行计算并输出；

4、建立单体电池电化学仿真模型，基于热力学、反应动力学、电荷传输、质量传输以及电压损失和极化曲线模拟燃料电池内部物理化学状态并计算输出工作电压和功率；

5、建立燃料电池/电堆模型，联立1至4中的模型并输入串联单体电池片数封装成为一个燃料电池/电堆模块，施加拉载电流计算电堆输出电压及功率。

优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，构成阳/阴极流场计算模型，包括以下步骤：

步骤1：调用阳/阴极反应气物性库，将阳/阴极气体流速、入堆压力、各组分气摩尔分量、气体温度作为阳/阴极流场计算的输入项；

步骤2：根据各组分气摩尔分量及气体体积分数计算得出各组分气质量分数，结合阳/阴极气体流速计算得出流场中各组分气质量流量；

步骤3：根据步骤2所得及各组分气相对分子质量、反应过程中转移电子数计算得出各反应气消耗速率；

步骤4：根据质量守恒定律及步骤3所得计算得出各气体组分含量，再结合理想气体状态方程，可得出各组分气体出堆分压及阳/阴极气体出堆压力；

步骤5：根据步骤4所得阳/阴极气体出堆压力、物性库中入堆压力以及实验测得阳/阴极流场流量系数计算得出阳/阴极气体出堆流量；

步骤6：根据步骤4所得各组分气体出堆分压以及步骤5所得阳/阴极气体出堆流量以及各组分气摩尔质量计算可得各组分气体出口质量流速。

优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，构建电池堆温度计算模型，包括以下步骤：

步骤1：通过实际测试获得燃料电池质量、平均比热容、密度物性参数，通过实际传感器采集电池/堆入口冷却介质流速、温度数据；

步骤2：根据氢气标准摩尔燃烧焓、电池节数、电池电流计算输出电池电化学反应功率；

步骤3：根据电池总电压、电流计算输出电池产电功率；

步骤4：根据电池电化学反应功率及产电功率计算输出电池产热功率；

步骤5：根据冷却液流量、比热容、密度、出入电池温差计算电池冷却液散热量；

步骤6：根据步骤1至步骤5所计算得出的各项数据，结合热平衡计算公式及电池比热容、质量计算得出电池出口冷却液温度。

优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，针对单体燃料电池/电堆运行机理仿真模型，

包括以下步骤：

步骤1：通过实际测试获得单体电池性能参数；

步骤2：基于燃料电池的实际结构，建立单电池模型包括阳/阴极气体扩散层、阳/阴极气体催化层、阳/阴极电化学反应和电解质膜的二维模型；

步骤3：根据化学热力学与反应吉布斯自由能，可得燃料电池热力学最大效率及任一温度下的热力学效率和反应电动势参数；

步骤4：根据反应动力学中描述电化学反应及电荷传输的阿雷尼乌斯(Arrhenius)定律、巴特勒-沃尔默(Butler-Volmer)方程、塔菲尔(Tafel)方程计算输出活化过电势；

步骤5：根据阿雷尼乌斯(Arrhenius)定律、欧姆定律描述电极层电子传输和电解质膜离子传输过程，计算输出欧姆过电势；

步骤6：根据费克(Fick)定律、斯蒂芬-麦克斯韦尔(Stefan-Maxwell)方程和法拉第定律描述反应气在扩散层中的扩散传输过程，计算扩散层组分扩散通量、催化层入口反应物浓度和极限电流密度并进一步输出浓差过电势；

步骤7：根据达西定律(Darcy’sLaw)、气液二相变、氢气/氧气在水中的扩散系数、水的含量建立液态水跨膜传输模型，模拟电池内部水传输状态对极化曲线的影响；

步骤8：结合步骤1至步骤7所有步骤的计算模型得出的能斯特电压、活化过电势、欧姆过电势、浓差过电势及串联电池片数、实际拉载电流的输入计算电压损耗、实际输出电压及极化曲线。

优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其单体电池性能参数包括：

(1)阳/阴极扩散层厚度、孔隙率、密度、比热容、电子电导率和各气体组分扩散系数；

(2)阳/阴极催化层厚度、孔隙率、密度、比热容和电子/离子电导率；

(3)阳/阴极电化学反应活化能、指前因子、反应速率常数、反应级数和交换电子数；

(4)电解质厚度、孔隙率、热导率、离子电导率和电子电导率。

优选地，所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，

针对分布式发电以及热电联供系统等只关注燃料电池输出电压特性的仿真，对于单体电池及电堆的建模，具体包括以下步骤：

步骤1：根据热力学方程及不同温度下的吉布斯生成自由能变计算得出理想开路电压；

步骤2：根据阳极压力、氢气分压及电池运行温度计算阳极活度影响因子，根据阴极压力、氧气分压及电池运行温度计算阴极活度影响因子；

步骤3：根据步骤1及步骤2输出联立计算得出电池开路电压；

步骤4：基于Tafel经验公式，通过输入饱和蒸汽压、阳/阴极压力、氢气分压、氧气分压、电堆温度、电流密度计算电池活化损失电压；

步骤5：基于离子电阻经验公式，通过输入膜含水量、电堆温度、电流密度计算电池欧姆损失电压；

步骤6：基于经验公式，通过输入电流密度、浓差损耗经验系数计算电池浓差损失电压；

步骤7：根据步骤4至步骤6输出联立计算得出电池综合电压；

步骤8：综合步骤3、步骤7、串联电池片数及单体电池有效活性面积计算输出电池堆电压、功率及极化曲线。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明基于燃料电池热力学、反应动力学、电荷传输和质量传输等定律，通过结合机理模型、经验模型及数据驱动模型的建模方法建立包含阳/阴极燃料气物性库、阳/阴极流场、单体电池、温度计算等全燃料电池的仿真模型，提升燃料电池的模型仿真精度，精确反应燃料电池内部物理化学的动态变化过程，提升模型实用价值，以解决现有燃料电池仿真技术忽略了内部实际反应机理的表征，最终对模型的准确性造成影响的问题。

2、本发明适用于燃料电池/电堆、BOP、系统的仿真与测试开发，亦可适用于燃料电池控制开发过程中的MIL、SIL、HIL仿真测试，极大降低燃料电池及控制器的开发调试周期与成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的燃料电池电堆模型示意图；

图2是本发明的燃料电池电堆建模流程图；

图3是本发明的燃料电池阳极流场仿真模型示意图；

图4是本发明的燃料电池阴极流场仿真模型示意图；

图5是本发明的燃料电池温度计算仿真模型示意图；

图6是本发明的燃料电池单体电池/电堆(机理)仿真模型示意图；

图7是本发明的燃料电池电堆仿真结果与实际曲线图；

图8是本发明的燃料电池单体电池/电堆(经验)仿真模型示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例一

如图1和图2所示，一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，包括以下步骤：

步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型，

其中，的整体模型包括：

1、建立燃料电池的阳/阴极输入燃料气物性库模块，该模块通过对阳/阴极燃料气的组分、压力、温度、流量、各组分摩尔分数等建立反应气体物性库，作为后续阳/阴极流场仿真模型的输入；

2、建立阳/阴极流场仿真模型，模拟阳/阴及气体扩散过程，该模块通过调用燃料气物性库的相关参数及自身体积和流量系数等参数计算流场出口阳/阴极气体压力、流速、消耗量和组分分压等；

3、建立燃料电池温度管理仿真模型，该模块通过输入入口冷却介质流速和温度、电池电流和电压及自身质量和比热容等信息对电池内部运行过程中电池热量产出和损耗等温度变化状态进行计算并输出；

4、建立单体电池电化学仿真模型，基于热力学、反应动力学、电荷传输、质量传输以及电压损失和极化曲线等模拟燃料电池内部物理化学状态并计算输出工作电压和功率；

5、建立燃料电池/电堆模型，联立1至4中的模型并输入串联单体电池片数封装成为一个燃料电池/电堆模块，施加拉载电流计算电堆输出电压及功率；

步骤2：对已经构建完成的整体模型实施，

包括以下步骤：

步骤2.1：基于燃料电池阳极气体和阴极气体实际物性参数，如：流量、压力、各组分质量分数、摩尔质量、摩尔分数、气体分压等构建阳极反应气和阴极反应气的物性库；

步骤2.2：基于燃料电池/电堆的实际结构、反应机理及物化性能参数构建阳极流场仿真模型、单体电池仿真模型、阴极流场仿真模型和电池堆温度仿真模型；

步骤2.3：将步骤2.1中建立的阳/阴极反应气物性库作为步骤2.2中阳/阴极流场仿真模型的输入源项，联立方程计算可得阳/阴极流场总压力及阳/阴极各组分气体压力，与电池温度仿真模型联立计算所得冷却液出/入堆温度项作为单体电池仿真模型输入项联立计算输出燃料电池系统运行电压/功率等，并进行联立调试校核；

步骤2.4：针对步骤2.3中调试校核后的模型进行初始化运行；

步骤2.5：对实际燃料电池进行全工况测试，并将测试数据根据仿真模型所需输入参数分工况整理输入；

步骤2.6：将全工况实验数据输入初始化模型并进行多次仿真计算，对被控模型进行参数标定及调试校核；

步骤2.7：根据实际仿真需求判断是否进行瞬态运行工况仿真，

如是，则构建燃料电池电流动态拉载模拟模型并进行瞬态IV性能、电池温度的仿真及输出结果；

如否，则进行稳态IV性能、电池温度的仿真及输出结果。

如图3和图4所示，构成阳/阴极流场计算模型，包括以下步骤：

步骤1：调用阳/阴极反应气物性库，将阳/阴极气体流速、入堆压力、各组分气摩尔分量、气体温度作为阳/阴极流场计算的输入项；

步骤2：根据各组分气摩尔分量及气体体积分数计算得出各组分气质量分数，结合阳/阴极气体流速计算得出流场中各组分气质量流量；

步骤3：根据步骤2所得及各组分气相对分子质量、反应过程中转移电子数计算得出各反应气消耗速率；

步骤4：根据质量守恒定律及步骤3所得计算得出各气体组分含量，再结合理想气体状态方程，可得出各组分气体出堆分压及阳/阴极气体出堆压力；

步骤5：根据步骤4所得阳/阴极气体出堆压力、物性库中入堆压力以及实验测得阳/阴极流场流量系数计算得出阳/阴极气体出堆流量；

步骤6：根据步骤4所得各组分气体出堆分压以及步骤5所得阳/阴极气体出堆流量以及各组分气摩尔质量计算可得各组分气体出口质量流速。

结合在阳/阴极流场计算模型中步骤1-6相关算法，搭建阳/阴极流场计算模型，联立方程求解计算输出阳/阴极流场总压力、各组分气分压、气体流量、反应消耗量等作为电池计算模型输入。

如图5所示，构建电池堆温度计算模型，包括以下步骤：

步骤1：通过实际测试获得燃料电池质量、平均比热容、密度等物性参数，通过实际传感器采集电池/堆入口冷却介质流速、温度等数据；

步骤2：根据氢气标准摩尔燃烧焓、电池节数、电池电流等计算输出电池电化学反应功率；

步骤3：根据电池总电压、电流等计算输出电池产电功率；

步骤4：根据电池电化学反应功率及产电功率计算输出电池产热功率；

步骤5：根据冷却液流量、比热容、密度、出入电池温差计算电池冷却液散热量；

步骤6：根据步骤1至步骤5所计算得出的各项数据，结合热平衡计算公式及电池比热容、质量等计算得出电池出口冷却液温度。

如图6所示，针对单体燃料电池/电堆运行机理仿真模型，包括以下步骤：

步骤1：通过实际测试获得单体电池性能参数；

(1)阳/阴极扩散层厚度、孔隙率、密度、比热容、电子电导率、各气体组分扩散系数；

(2)阳/阴极催化层厚度、孔隙率、密度、比热容、电子/离子电导率；

(3)阳/阴极(氢气/氧气)电化学反应活化能、指前因子、反应速率常数、反应级数、交换电子数；

(4)电解质厚度、孔隙率、热导率、离子电导率、电子电导率等。

步骤2：基于燃料电池的实际结构，建立单电池模型包括阳/阴极气体扩散层、阳/阴极气体催化层、阳/阴极电化学反应和电解质膜等的二维模型；

步骤3：根据化学热力学与反应吉布斯自由能，可得燃料电池热力学最大效率及任一温度下的热力学效率和反应电动势等参数；

步骤4：根据反应动力学中描述电化学反应及电荷传输的阿雷尼乌斯(Arrhenius)定律、巴特勒-沃尔默(Butler-Volmer)方程、塔菲尔(Tafel)方程等计算输出活化过电势；

步骤5：根据阿雷尼乌斯(Arrhenius)定律、欧姆定律描述电极层电子传输和电解质膜离子传输等过程，计算输出欧姆过电势；

步骤6：根据费克(Fick)定律、斯蒂芬-麦克斯韦尔(Stefan-Maxwell)方程和法拉第定律等描述反应气在扩散层中的扩散传输过程，计算扩散层组分扩散通量、催化层入口反应物浓度和极限电流密度并进一步输出浓差过电势；

步骤7：根据达西定律(Darcy’s Law)、气液二相变、氢气/氧气在水中的扩散系数、水的含量等建立液态水跨膜传输模型，模拟电池内部水传输状态对极化曲线的影响；

步骤8：结合步骤1至步骤7所有步骤的计算模型得出的能斯特电压、活化过电势、欧姆过电势、浓差过电势等及串联电池片数、实际拉载电流的输入等计算电压损耗、实际输出电压及极化曲线。

通过与某实际燃料电池功率型号实测数据对比分析，可验证本模型整体精度达97％以上，具体对比分析如图7所示。

实施例二

基于上述实施例，对于一些基于燃料电池的大型系统，如分布式发电、热电联供系统的经济性仿真分析等只关注燃料电池输出电压特性，而不关注其内部运行机理的情况，对于单体电池的建模可采用如图8所示包含开路电压计算和综合电压降计算的经验模型，具体包括以下步骤：

步骤1：根据热力学方程及不同温度下的吉布斯生成自由能变计算得出理想开路电压；

步骤2：根据阳极压力、氢气分压及电池运行温度计算阳极活度影响因子，根据阴极压力、氧气分压及电池运行温度计算阴极活度影响因子；

步骤3：根据步骤1及步骤2输出联立计算得出电池开路电压；

步骤4：基于Tafel经验公式，通过输入饱和蒸汽压、阳/阴极压力、氢气分压、氧气分压、电堆温度、电流密度等计算电池活化损失电压；

步骤5：基于离子电阻经验公式，通过输入膜含水量、电堆温度、电流密度等计算电池欧姆损失电压；

步骤6：基于经验公式，通过输入电流密度、浓差损耗经验系数等计算电池浓差损失电压；

步骤7：根据步骤4至步骤6输出联立计算得出电池综合电压降；

步骤8：综合步骤3及步骤7，及串联电池片数、单体电池有效活性面积等计算输出电池堆电压和功率及极化曲线。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤1：构建燃料电池/电堆的整体模型；

步骤2：对已经构建完成的整体模型实施，

包括以下步骤：

步骤2.1：基于燃料电池阳极气体和阴极气体实际物性参数，构建阳极反应气和阴极反应气的物性库；

步骤2.2：基于燃料电池/电堆的实际结构、反应机理及物化性能参数构建阳极流场仿真模型、单体电池仿真模型、阴极流场仿真模型和电池堆温度仿真模型；

步骤2.3：将步骤2.1中建立的阳/阴极反应气物性库作为步骤2.2中阳/阴极流场仿真模型的输入源项，联立方程计算可得阳/阴极流场总压力及阳/阴极各组分气体压力，与电池温度仿真模型联立计算所得冷却液出/入堆温度项作为单体电池仿真模型输入项联立计算输出燃料电池系统运行电压/功率，并进行联立调试校核；

步骤2.4：针对步骤2.3中调试校核后的模型进行初始化运行；

步骤2.5：对实际燃料电池进行全工况测试，并将测试数据根据仿真模型所需输入参数分工况整理输入；

步骤2.6：将全工况实验数据输入初始化模型并进行多次仿真计算，对被控模型进行参数标定及调试校核；

步骤2.7：根据实际仿真需求判断是否进行瞬态运行工况仿真，

如是，则构建燃料电池电流动态拉载模拟模型并进行瞬态IV性能、电池温度的仿真及输出结果；

如否，则进行稳态IV性能、电池温度的仿真及输出结果。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：步骤1中的整体模型包括：

1)、建立燃料电池的阳/阴极输入燃料气物性库模块，该模块通过对阳/阴极燃料气的组分、压力、温度、流量、各组分摩尔分数建立反应气体物性库，作为后续阳/阴极流场仿真模型的输入；

2)、建立阳/阴极流场仿真模型，模拟阳/阴及气体扩散过程，该模块通过调用燃料气物性库的相关参数及自身体积和流量系数参数计算流场出口阳/阴极气体压力、流速、消耗量和组分分压；

3)、建立燃料电池温度管理仿真模型，该模块通过输入入口冷却介质流速和温度、电池电流和电压及自身质量和比热容信息对电池内部运行过程中电池热量产出和损耗温度变化状态进行计算并输出；

4)、建立单体电池电化学仿真模型，基于热力学、反应动力学、电荷传输、质量传输以及电压损失和极化曲线模拟燃料电池内部物理化学状态并计算输出工作电压和功率；

5)、建立燃料电池/电堆模型，联立1至4中的模型并输入串联单体电池片数封装成为一个燃料电池/电堆模块，施加拉载电流计算电堆输出电压及功率。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：构成阳/阴极流场计算模型，包括以下步骤：

步骤1：调用阳/阴极反应气物性库，将阳/阴极气体流速、入堆压力、各组分气摩尔分量、气体温度作为阳/阴极流场计算的输入项；

步骤2：根据各组分气摩尔分量及气体体积分数计算得出各组分气质量分数，结合阳/阴极气体流速计算得出流场中各组分气质量流量；

步骤3：根据步骤2所得及各组分气相对分子质量、反应过程中转移电子数计算得出各反应气消耗速率；

步骤4：根据质量守恒定律及步骤3所得计算得出各气体组分含量，再结合理想气体状态方程，可得出各组分气体出堆分压及阳/阴极气体出堆压力；

步骤5：根据步骤4所得阳/阴极气体出堆压力、物性库中入堆压力以及实验测得阳/阴极流场流量系数计算得出阳/阴极气体出堆流量；

步骤6：根据步骤4所得各组分气体出堆分压以及步骤5所得阳/阴极气体出堆流量以及各组分气摩尔质量计算可得各组分气体出口质量流速。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：构建电池堆温度计算模型，包括以下步骤：

步骤1：通过实际测试获得燃料电池质量、平均比热容、密度物性参数，通过实际传感器采集电池/堆入口冷却介质流速、温度数据；

步骤2：根据氢气标准摩尔燃烧焓、电池节数、电池电流计算输出电池电化学反应功率；

步骤3：根据电池总电压、电流计算输出电池产电功率；

步骤4：根据电池电化学反应功率及产电功率计算输出电池产热功率；

步骤5：根据冷却液流量、比热容、密度、出入电池温差计算电池冷却液散热量；

步骤6：根据步骤1至步骤5所计算得出的各项数据，结合热平衡计算公式及电池比热容、质量计算得出电池出口冷却液温度。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：针对单体燃料电池/电堆运行机理仿真模型，

包括以下步骤：

步骤1：通过实际测试获得单体电池性能参数；

步骤2：基于燃料电池的实际结构，建立单电池模型包括阳/阴极气体扩散层、阳/阴极气体催化层、阳/阴极电化学反应和电解质膜的二维模型；

步骤3：根据化学热力学与反应吉布斯自由能，可得燃料电池热力学最大效率及任一温度下的热力学效率和反应电动势参数；

步骤4：根据反应动力学中描述电化学反应及电荷传输的阿雷尼乌斯定律、巴特勒-沃尔默方程、塔菲尔方程计算输出活化过电势；

步骤5：根据阿雷尼乌斯定律、欧姆定律描述电极层电子传输和电解质膜离子传输过程，计算输出欧姆过电势；

步骤6：根据费克定律、斯蒂芬-麦克斯韦尔方程和法拉第定律描述反应气在扩散层中的扩散传输过程，计算扩散层组分扩散通量、催化层入口反应物浓度和极限电流密度并进一步输出浓差过电势；

步骤7：根据达西定律、气液二相变、氢气/氧气在水中的扩散系数、水的含量建立液态水跨膜传输模型，模拟电池内部水传输状态对极化曲线的影响；

步骤8：结合步骤1至步骤7所有步骤的计算模型得出的能斯特电压、活化过电势、欧姆过电势、浓差过电势及串联电池片数、实际拉载电流的输入计算电压损耗、实际输出电压及极化曲线。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：单体电池性能参数包括：

(1)阳/阴极扩散层厚度、孔隙率、密度、比热容、电子电导率和各气体组分扩散系数；

(2)阳/阴极催化层厚度、孔隙率、密度、比热容和电子/离子电导率；

(3)阳/阴极电化学反应活化能、指前因子、反应速率常数、反应级数和交换电子数；

(4)电解质厚度、孔隙率、热导率、离子电导率和电子电导率。

7.根据权利要求5所述的一种燃料电池/电堆仿真模型的构建方法，其特征在于：

针对分布式发电以及热电联供系统等只关注燃料电池输出电压特性的仿真，对于单体电池及电堆的建模，具体包括以下步骤：

步骤1：根据热力学方程及不同温度下的吉布斯生成自由能变计算得出理想开路电压；

步骤2：根据阳极压力、氢气分压及电池运行温度计算阳极活度影响因子，根据阴极压力、氧气分压及电池运行温度计算阴极活度影响因子；

步骤3：根据步骤1及步骤2输出联立计算得出电池开路电压；

步骤4：基于Tafel经验公式，通过输入饱和蒸汽压、阳/阴极压力、氢气分压、氧气分压、电堆温度、电流密度计算电池活化损失电压；

步骤5：基于离子电阻经验公式，通过输入膜含水量、电堆温度、电流密度计算电池欧姆损失电压；

步骤6：基于经验公式，通过输入电流密度、浓差损耗经验系数计算电池浓差损失电压；

步骤7：根据步骤4至步骤6输出联立计算得出电池综合电压；

步骤8：综合步骤3、步骤7、串联电池片数及单体电池有效活性面积计算输出电池堆电压、功率及极化曲线。

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