质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法、系统、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法、系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.聚合物膜燃料电池的突出特点包括效率高、工作温度低、无污染的电能生产、能量密度高、种类多、启动时间短，是一种用于运输和便携式车辆的发电选择。尽管近年来在提高电池的整体性能方面取得了许多进展，但聚合物膜燃料电池的一个主要限制是相变以及液体和水蒸气两相的转移。燃料电池的水容量是通过电池运行时的水平衡来实现的。
3.水的转移因素包括电渗透阻力、来自阴极的反向扩散、以及注入电池的气体中水的扩散和置换。电渗透阻力取决于沿着质子的渗透作用所吸引的水的数量，据估计，每个质子会运输1-2.5个分子。在电池运行过程中，水在阴极的催化剂层中产生，提高了阴极一侧的水的浓度，导致浓度梯度，在这个梯度下，从阴极到阳极的水又回到阳极，燃料和空气中的水分率与上述两种机制一起影响着水相的转移和变化，传入水分的百分比被用来管理电池内的水。
4.有必要拥有高的膜水容量，特别是在高电流密度下，以确保聚合物膜燃料电池的电解质中的高离子传导性；当膜完全水化时，电解质的高离子传导发生，以提高燃料电池的效率，如果电池中的水率高于允许的水平，水就会凝结，液态水会堵塞气体扩散层的孔隙(浮动现象)，将难以达到将活性气体转移到催化剂层的结果。如果水位低，离子的传导就会减少，并且很难将膜粘附到电极上。干燥条件下的电池性能会严重降低膜的寿命，基于上述限制，研究水相的转移和变化对聚合物膜燃料电池是非常必要的。
5.有许多研究预测聚合物膜燃料电池中单相条件下水的分布。ju等人研究了一个聚合物膜电池的三维模型，并研究了电池内的水和热传递现象。djilali等人通过提出一个三维和可变温度模型，以及对电池进行参数研究，研究了水蒸气转移和温度的影响，并考察了电池各种参数的敏感性。wang等人通过建立一个单相的、温度可变的模型，建立了聚合物燃料电池内部的温度模型。rowe和li以及mishra等人研究了一个两相燃料电池模型。这些模型是一维的，不同参数的变化只在电池层的厚度方向进行了研究。nam和kaviany通过考虑两相转移的一维模型，重点研究了气体扩散层结构的影响。hwang选择了一个两相模型并研究了阴极-电池电极。pasaogullari等人提出了一个两相和变温模型，并研究了聚合物膜燃料电池阴极的气体扩散层中水和热的传递。wang和wang在多相混合模型的基础上建立了一个两相变温模型，并研究了水和热量在聚合物膜燃料电池中通过气相扩散传递的重要性。
6.在这项研究中，通过考虑水的两相行为，建立了包括流道、气体扩散层、催化剂层和膜在内的聚合物膜燃料电池的二维模型，并研究了不同的水转移方法和浮力对电池性能的影响。


技术实现要素：

7.基于此，有必要针对上述问题，提出了一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法、系统、设备及存储介质。
8.一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，所述方法包括：
9.确定速度矢量
10.确定液体饱和度s；
11.确定转移电流密度f；
12.确定电势的有效离子传导系数
13.根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
14.上述方案中，所述确定速度矢量具体包括：通过连续性方程确定速度矢量其中，ρ是气体和液体混合物的密度，ρ＝ρ
l
s+ρg(1-s)；ρ
l
是混合气体的密度，ρg是液体的密度，(1-s)是混合气体所占体积与总体积的比率，s是液体所占体积与总体积的比率，
15.上述方案中，所述确定液体饱和度s，具体包括：根据动量生存方程确定液体饱和度s；其中，p、τ和ε分别是压力、剪切应力和孔隙度系数；k是多孔介质的渗透率，μ是两相混合物的粘度，ν
l
和νg是液体和气体混合物的合成粘度，k
rl
和k
rg
分别是液相和气相的相对渗透率，k
rl
＝s3，k
rg
＝(1-s)3。
16.上述方案中，所述确定转移电流密度f，具体包括：根据生存方程
17.确定转移电流密度f；其中，ci和mi是组分i的总浓度和分子质量，γc是位移因子，sk是催化剂层中的水的春季用语，sk是膜层中的水由于电渗透阻力而产生的弹簧术语，sk是膜层中的水由于电渗透阻力而产生的弹簧术语：stoi是阳极和阴极侧反应的化学计量系数，f、i、j和n分别是转移电流密度、电流密度、法拉第常数和电子数。
18.上述方案中，所述位移因子γc对质子交换膜燃料电池中各相中组分的转移进行校
正，λ
l
和λg分别是液相和气相的相对流动性；k用于副标题，l用于液体，g用于气体。
19.上述方案中，所述确定电势的有效离子传导系数具体包括：根据电荷生存方程确定电势的有效离子传导系数其中，κ
eff
是电解质的有效离子传导系数，se＝j，
[0020][0021]
αa是氢氧化反应中阳极转移系数，αc是阴极转移系数，αc是氧还原反应中阴极转移系数，阳极附加电位规定η＝φ
s-φ
e-uo(φs＝0，yo＝0)，阳极附加电位规定η＝φ
s-φ
e-u0(φs＝v
cell
，uo＝1.23-0.9
×
10-3
(t-298.15))。
[0022]
上述方案中，所述根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布，具体包括：分别根据分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布，具体包括：分别根据确定质子交换膜燃料电池中阳极的相对湿度、阴极的相对湿度。
[0023]
一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测系统，所述系统包括：参数确定单元、预测单元；
[0024]
所述参数确定单元，用于确定速度矢量确定液体饱和度s、确定转移电流密度f、确定电势的有效离子传导系数
[0025]
所述预测单元，用于根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0026]
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
[0027]
确定速度矢量
[0028]
确定液体饱和度s；
[0029]
确定转移电流密度f；
[0030]
确定电势的有效离子传导系数
[0031]
根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0032]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
[0033]
确定速度矢量
[0034]
确定液体饱和度s；
[0035]
确定转移电流密度f；
[0036]
确定电势的有效离子传导系数
[0037]
根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0038]
采用本发明实施例，具有如下有益效果：
[0039]
本发明通过对质子交换膜燃料电池中水分布情况的预测，以确保膜的水化，并尽量减少膜的显著损失，从而提高质子交换膜燃料电池的性能。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
[0041]
其中：
[0042]
图1为一个实施例中质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法的流程图；
[0043]
图2为一个实施例中质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法的电压曲线-阴极水分不同水平下的电流密度曲线图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
如图1所示，在一个实施例中，提供了一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法。所述方法通过以下步骤实现：
[0046]
步骤101：确定速度矢量
[0047]
具体地，通过连续性方程确定速度矢量其中，ρ是气体和液体混合物的密度，ρ＝ρ
l
s+ρg(1-s)；ρ
l
是混合气体的密度，ρg是液体的密度，(1-s)是混合气体所占体积与总体积的比率，s是液体所占体积与总体积的比率，
[0048]
步骤102：确定液体饱和度s；
[0049]
具体地，根据动量生存方程确定液体饱和度s；其中，p、τ和ε分别是压力、剪切应力和孔隙度系数；k是多孔介质的渗透率，μ是两相混合物的粘度，
[0050]vl
和vg是液体和气体混合物的合成粘度，k
rl
和k
rg
分别是液相和气相的相对渗透率，k
rl
＝s3，k
rg
(1-s)3。
[0051]
步骤103：确定转移电流密度f；
[0052]
具体地，根据生存方程
[0053]
确定转移电流密度f；其中，ci和mi是组分i的总浓度和分子质量，γc是位移因子，sk是催化剂层中的水的春季用语，sk是膜层中的水由于电渗透阻力而产生的弹簧术语，sk是膜层中的水由于电渗透阻力而产生的弹簧术语：stoi是阳极和阴极侧反应的化学计量系数，f、i、j和n分别是转移电流密度、电流密度、法拉第常数和电子数。
[0054]
所述位移因子γc对质子交换膜燃料电池中各相中组分的转移进行校正，
[0055]
λ
l
和λg分别是液相和气相的相对流动性；k用于副标题，l用于液体，g用于气体。
[0056]
步骤104：确定电势的有效离子传导系数
[0057]
具体地，根据电荷生存方程确定电势的有效离子传导系数其中，κ
eff
是电解质的有效离子传导系数，se＝j，
[0058]
[0059]
αa是氢氧化反应中阳极转移系数，αc是阴极转移系数，αc是氧还原反应中阴极转移系数，阳极附加电位规定η＝φ
s-φ
e-uo(φs＝0，uo＝0)，阳极附加电位规定η＝φ
s-φ
e-u0(φs＝v
cell
，uo＝1.23-0.9
×
10-3
(t-298.15))。
[0060]
步骤105：根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0061]
具体地，分别根据
[0062]
确定质子交换膜燃料电池中阳极的相对湿度、阴极的相对湿度。
[0063]iref
是随机比例，指产生参考电流密度的电化学反应所需的试剂与反应物的比例。
[0064]
通过对质子交换膜燃料电池中水分布情况的预测，以确保膜的水化，并尽量减少膜的显著损失，从而提高质子交换膜燃料电池的性能。
[0065]
质子交换膜燃料电池在三个位置的两相模型：(1)100％相对阳极水分和25％相对阴极水分，(rha＝100％，rhc＝25％)；(2)100％相对阳极水分和50％相对阴极水分(rha＝100％)，rhc＝50％)和(3)阳极和阴极完全水分和100％相对水分发展(rha＝100％，rhc＝100％)。
[0066]
如图2所示，显示了不同百分比阴极水分的电压-电流曲线。在燃料电池内部不发生相变的低电流密度下，电池性能随着阴极入口处水分含量的增加而提高。在这种情况下，与其他下降相比，一个明显的下降是主要的，而且这种下降随着膜含水量的增加而减少。随着电流密度的增加，电池性能随着水分含量的增加而下降。随着进口水分的增加，浮选发生在阴极气体扩散层的更大范围内，而当进口气体完全是水分时，浮选发生在整个阴极气体扩散层。这种现象导致气体分布层的孔隙率关闭，到达气体分布层的氧气减少，因此，电池性能下降；因为电池功率是电池电压乘以电流密度的乘积，所述现象对功率密度曲线有类似的影响，相对阴极水分低时可达到最大功率。
[0067]
所以证明了，阴极进口水分百分比对燃料电池的性能影响很大，与阴极入口气体的水分不同，浮动发生在整个阴极气体扩散层，当阴极入口水分百分比低时，阴极气体扩散层中的水相变化发生在末端，沿其整个长度的浮力现象不可见。
[0068]
当进入阴极通道的氧气完全是水分时，膜在电池运行过程中被水化，导致低电流密度下电池性能最佳；但在高电流密度下，随着水的凝结，整个阴极气体扩散层发生漂浮，电池性能下降。当进口氧气不完全潮湿时，低电流密度下的电池性能是不充分的；但是，在高电流密度下，电池性能是最佳的。
[0069]
进口阴极水分百分比是影响水相变化的一个因素，用于管理聚合物膜燃料电池中的水。
[0070]
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储
有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
[0071]
步骤101：确定速度矢量
[0072]
步骤102：确定液体饱和度s；
[0073]
步骤103：确定转移电流密度f；
[0074]
步骤104：确定电势的有效离子传导系数
[0075]
步骤105：根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0076]
在一个实施例中，提出了一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测系统。所述系统包括：参数确定单元、预测单元；
[0077]
所述参数确定单元，用于确定速度矢量确定液体饱和度s、确定转移电流密度f、确定电势的有效离子传导系数
[0078]
所述预测单元，用于根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0079]
在一个实施例中，提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
[0080]
步骤101：确定速度矢量
[0081]
步骤102：确定液体饱和度s；
[0082]
步骤103：确定转移电流密度f；
[0083]
步骤104：确定电势的有效离子传导系数
[0084]
步骤105：根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。
[0085]
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非易失性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，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0086]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0087]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保
护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述方法包括：确定速度矢量确定液体饱和度s；确定转移电流密度f；确定电势的有效离子传导系数根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述确定速度矢量具体包括：通过连续性方程确定速度矢量其中，ρ是气体和液体混合物的密度，ρ＝ρ
l
s+ρ
g
(1-s)；ρ
l
是混合气体的密度，ρ
g
是液体的密度，(1-s)是混合气体所占体积与总体积的比率，s是液体所占体积与总体积的比率，3.根据权利要求1或2所述的质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述确定液体饱和度s，具体包括：根据动量生存方程确定液体饱和度s；其中，p、τ和ε分别是压力、剪切应力和孔隙度系数；k是多孔介质的渗透率，μ是两相混合物的粘度，ν
l
和ν
g
是液体和气体混合物的合成粘度，k
rl
和k
rg
分别是液相和气相的相对渗透率，k
rl
＝s3，k
rg
＝(1-s)3。4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述确定转移电流密度f，具体包括：根据生存方程确定转移电流密度f；其中，c
i
和m
i
是组分i的总浓度和分子质量，γ
c
是位移因子，s
k
是催化剂层中的水的春季用语，s
k
是膜层中的水由于电渗透阻力而产生的弹簧术语，s
k
是膜层中的水由于电渗透阻力而产生的弹簧术语：sto
i
是阳极和阴极侧反应的化学计量系数，f、i、j和n分别是转移电流密度、电流密度、法拉第常数和电子数。5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述
位移因子γ
c
对质子交换膜燃料电池中各相中组分的转移进行校正，λ
l
和λ
g
分别是液相和气相的相对流动性；k用于副标题，l用于液体，g用于气体。6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述确定电势的有效离子传导系数具体包括：根据电荷生存方程确定电势的有效离子传导系数其中，κ
eff
是电解质的有效离子传导系数，s
e
＝j，＝j，α
a
是氢氧化反应中阳极转移系数，α
c
是阴极转移系数，α
c
是氧还原反应中阴极转移系数，阳极附加电位规定η＝φ
s-φ
e-u0(φ
s
＝0，y
o
＝0)，阳极附加电位规定η＝φ
s-φ
e-u0(φ
s
＝v
cell
，u
o
＝1.23-0.9
×
10-3
(t-298.15))。7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法，其特征在于，所述根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布，具体包括：分别根据质子交换膜燃料电池内部整体水分布，具体包括：分别根据确定质子交换膜燃料电池中阳极的相对湿度、阴极的相对湿度。8.一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测系统，其特征在于，所述系统包括：参数确定单元、预测单元；所述参数确定单元，用于确定速度矢量确定液体饱和度s、确定转移电流密度f、确定电势的有效离子传导系数所述预测单元，用于根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度f、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明实施例公开了一种质子交换膜燃料电池中水分布的预测方法、系统、设备及存储介质，所述方法包括：确定速度矢量确定液体饱和度s；确定转移电流密度F；确定电势的有效离子传导系数根据所述速度矢量液体饱和度s、转移电流密度F、电势的有效离子传导系数分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。分别确定质子交换膜燃料电池内部整体水分布。


技术研发人员：姚文东 杨勇 黄超 李豪
受保护的技术使用者：深圳氢时代新能源科技有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/7