(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利(10)授權(quán)公告號CN115207417B(21)申請?zhí)?02210692555.1(22)申請日2022.06.17(65)同一申請的已公布的文獻號申請公布號CN115207417A(43)申請公布日2022.10.18(73)專利權(quán)人同濟大學地址200092上海市楊浦區(qū)四平路1239號(72)發(fā)明人戴海峰唐偉魏學哲(74)專利代理機構(gòu)上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司31225專利代理師楊宏泰H01M8/04537(2016.0(56)對比文件審查員閆竹青權(quán)利要求書4頁說明書9頁附圖5頁(54)發(fā)明名稱法(57)摘要本發(fā)明涉及一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，包括以下步驟：S1、獲取燃料電池陽極出口處和陽極入口處的電壓數(shù)據(jù)；S2、獲取燃料電池陽極入口處的流量、壓力和相對濕度以及陰極入口處的流量、壓力和相對濕度數(shù)據(jù)；S3、獲取燃料電池雙極板內(nèi)部的溫度采樣數(shù)據(jù)；S4、構(gòu)建四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型；S5、基于四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型將獲取的數(shù)據(jù)導入后計算電流密度分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明據(jù)獲取燃料電池陽極入口處的流量、壓力和相對濕度以及陰極入口處的流量、壓力和相對濕度數(shù)據(jù)基于四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型將獲取的數(shù)據(jù)導入后計算電流密度分布2所述的燃料電池采用陰極陽極交叉供氣模式，在四腔氣體動1)陰極入口腔體腔體1與陽極出口腔體腔體4共同組成一個半電池，即陽極出口半電2)陰極出口腔體腔體2和陽極入口腔體腔體3共同組成另一個半電池，即陽極入口半電3對于陰極出口腔體腔體2,其狀態(tài)方程為：其中，為腔體2內(nèi)的氮氣分壓，為腔體2內(nèi)的氧氣分壓，l2為陽極入口半電為出口空氣的摩爾流量，Pch2為腔體2內(nèi)的氣體壓力，為陰極流道中水蒸氣分壓，為腔體2中的空氣氧摩爾分數(shù)；對于陽極入口腔體腔體3,其狀態(tài)方程為：其中，為入口氫氣的摩爾流量，為陽極入口流量的氫氣摩爾分數(shù)，其根據(jù)陽為陽極流道內(nèi)體積，為腔體3和腔體4之間的摩爾流量，為腔體3中的空氣氫摩4對于陽極出口腔體腔體4,其狀態(tài)方程：其中，為腔體4中的氫氣壓力，為排除的氫氣流量，Pch4為腔體4中的氣S5、基于四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型將獲取的數(shù)據(jù)導入后計算電流密度分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，其特征在于，所述的步驟S1中，通過布置在燃料電池陽極出口處和陽極入口處的電壓巡檢儀獲取電壓數(shù)3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，其特征在于，所述的步驟S2中，通過燃料電池測試臺獲取燃料電池陽極入口處的流量、壓力和相對濕度以及陰極入口處的流量、壓力和相對濕度數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，其特征在于，所述的步驟S3中，通過外接數(shù)采卡獲取燃料電池雙極板內(nèi)部的溫度采樣數(shù)據(jù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，其特征在于，所述的步驟S4中，四腔氣體動態(tài)模型具體是在陰極/陽極通道中，根據(jù)氧、氮、氫、水蒸氣質(zhì)量守恒原理描述進出口的氣體動力學過程，將所有物質(zhì)視為理想氣體。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，其特征在于，步驟S4還包括：4)陰極新鮮空氣先進入陽極出口半電池，在陽極出口半電池中發(fā)生反應(yīng)后進入陽極入5)陽極新鮮氫氣先進入陽極入口半電池，在陽極入口半電池中發(fā)生反應(yīng)后進入陽極出6)陽極氣體濃度變化或陰極氣體濃度變化均會導致燃料電池內(nèi)部電流和電壓的再分7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，其特征在于，所5Eceu(TfcPH2,P?2)=1.229-kg(Tfc-298)+kc×Tfc(In(PH2)+0Vact(Tfc,C?2,I)=0.279-ke(Tfc-298)+Tfcln(c?2)+二6技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及交通動力系統(tǒng)用大面積燃料電池狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法。背景技術(shù)[0002]由于無污染排放的特性，燃料電池在世界范圍內(nèi)受到越來越多的關(guān)注，燃料電池本質(zhì)上是一種電化學裝置，以氫氣、氧氣作為燃料，通過電化學反應(yīng)(非燃燒)產(chǎn)生電能，燃料電池商業(yè)化仍然面對很多問題，包括成本過高、壽命過低，耐久性較差。隨著燃料電池趨于更大的活性面積，燃料電池內(nèi)部各組分的分布不均，導致燃料電池面內(nèi)差異性進一步擴大，并且隨著燃料電池片數(shù)的增加，燃料電池系統(tǒng)的一致性也會收到影響，最終導致燃料電池耐久性和壽命的降低。[0003]隨著燃料電池功率需求的不斷提升，越來越多的廠商選擇大活性面積的燃料電池單體來組成燃料電池電堆。與現(xiàn)有研究大多采用的25cm2活性面積的燃料電池相比，大面積的燃料電池在沿氣體流道方向上，會出現(xiàn)明顯的濃度衰減，一方面是由于面內(nèi)氣流分配的差異，另外一方面是由于氫氧反應(yīng)不斷消耗反應(yīng)氣體，進一步擴大大面積燃料電池面內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度差異。另外與實驗室測試用的小面積燃料電池單片不同，大面積的燃料電池單片也意味著發(fā)熱功率的增大和對外接觸面積的增加，溫度控制的要求和難度也會大大增加，因此一般車用質(zhì)子交換膜燃料電池單片面內(nèi)還會存在溫度分布的差異，在2000mA/cm2時，燃料電池的冷卻液出口溫度比冷卻液進口溫度提高了接近4℃,而低電密時，燃料電池面內(nèi)溫度差異在0.5℃以內(nèi)，燃料電池對溫度的敏感性較高，高電流密度下的溫度差異會顯著影響電池面內(nèi)的反應(yīng)速率，因此需要一種能夠適應(yīng)于大面積燃料電池的電流密度分布計算方法，實時客觀的反應(yīng)出動態(tài)過程中電流的變化過程。[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法。[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：[0006]一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，該方法包括以下步驟：[0007]S1、獲取燃料電池陽極出口處和陽極入口處的電壓數(shù)據(jù)；[0008]S2、獲取燃料電池陽極入口處的流量、壓力和相對濕度以及陰極入口處的流量、壓力和相對濕度數(shù)據(jù)；[0009]S3、獲取燃料電池雙極板內(nèi)部的溫度采樣數(shù)據(jù)；[0011]S5、基于四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型將獲取的數(shù)據(jù)導入后計算電流密度分布。[0012]所述的步驟S1中，通過布置在燃料電池陽極出口處和陽極入口處的電壓巡檢儀獲取電壓數(shù)據(jù)。7[0013]所述的步驟S2中，通過燃料電池測試臺獲取燃料電池陽極入口處的流量、壓力和相對濕度以及陰極入口處的流量、壓力和相對濕度數(shù)據(jù)。[0014]所述的步驟S3中，通過外接數(shù)采卡獲取燃料電池雙極板內(nèi)部的溫度采樣數(shù)據(jù)。[0015]所述的步驟S4中，四腔氣體動態(tài)模型具體是在陰極/陽極通道中，根據(jù)氧、氮、氫、水蒸氣質(zhì)量守恒原理描述進出口的氣體動力學過程，將所有物質(zhì)視為理想氣體。[0016]所述的燃料電池采用陰極陽極交叉供氣模式，在四腔氣體動態(tài)模型搭建過程中將燃料電池劃分成兩個半電池，則有：[0017]1)陰極入口腔體腔體1與陽極出口腔體腔體4共同組成一個半電池，即陽極出口半[0018]2)陰極出口腔體腔體2和陽極入口腔體腔體3共同組成另一個半電池，即陽極入口[0019]3)兩個半電池并聯(lián)工作，反應(yīng)氣體流動為串聯(lián)[0020]4)陰極新鮮空氣先進入陽極出口半電池，在陽極出口半電池中發(fā)生反應(yīng)后進入陽極入口半電池，之后再排出燃料電池；[0021]5)陽極新鮮氫氣先進入陽極入口半電池，在陽極入口半電池中發(fā)生反應(yīng)后進入陽[0022]6)陽極氣體濃度變化或陰極氣體濃度變化均會導致燃料電池內(nèi)部電流和電壓的再分配。[0023]對于陰極入口腔體腔體1,其狀態(tài)方程為：[0029]其中，為腔體1內(nèi)的氮氣分壓，Phi為腔體1內(nèi)的氧氣分壓，V.a為腔體內(nèi)體積，i?為陽極出口半電池中的電流，A為有效活性面積，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，N為電池片數(shù)，R為氣體常數(shù)，Winir為入口空氣的摩爾流量，xin2為陰極入口流量的空氣氧摩爾分數(shù)，其根口相對濕度為60%計算，x°21為腔體1中的空氣氧摩爾分數(shù)，Wqir為腔體1和腔體2之間的[0030]對于陰極出口腔體腔體2,其狀態(tài)方程為：8陽極流道內(nèi)體積，為腔體3和腔體4之間的摩爾流量，為腔體3中的空氣氧摩爾分9的經(jīng)驗參數(shù)；[0053]所述的活化過電勢Vact由Tafel半經(jīng)驗公式和Henry定律[0054]Vact(Tfc,C?2,I)=0.279-ke(Tfc-298)+TfcIn(C?2)+T[0055]其中，C?2為陰極催化劑層三相反應(yīng)界面的氧氣溶解濃度，I為燃料電池的實際電[0056]所述的歐姆過電勢vnm為由質(zhì)子通過交換膜的等效阻抗R引起的壓降，則有：取的經(jīng)驗參數(shù)；[0060]所述的濃差過電勢vcon的計算式為：[0064]一、本發(fā)明無需在電池內(nèi)布置復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，如PCB板來獲取電流分布。[0065]二、本發(fā)明僅需要獲取常規(guī)的電池參數(shù)，就可以方便的計算電流分布。[0066]三、本發(fā)明綜合考慮陰極和陽極構(gòu)建了四腔氣體動態(tài)模型，能夠覆蓋陽極、陰極以[0067]四、本發(fā)明構(gòu)建的四腔氣體動態(tài)模型，能夠反映出動態(tài)過程中電流和電壓的變化過程。附圖說明[0068]圖1為本發(fā)明的方法流程圖。[0069]圖2為本發(fā)明多點電壓采樣示意圖。[0070]圖3為本發(fā)明半電池假設(shè)。[0071]圖4為本發(fā)明溫度采樣布置示意圖。[0072]圖5為本發(fā)明溫度分布示意圖。[0073]圖6為本發(fā)明模型精度對比示意圖。[0074]圖7為本發(fā)明模型預(yù)測結(jié)果，其中，圖(7a)為210A條件下電流和電壓分布示意圖，圖(7b)為450A條件下電流和電壓分布示意圖。具體實施方式[0075]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。[0077]如圖1所示，本發(fā)明提供一種大面積燃料電池電流密度分布計算方法，本發(fā)明適用于大面積石墨板燃料電池，通過在陽極入口處和陽極出口處分別布置電壓采樣點，獲取燃料電池陽極入口和陽極出口處的電壓；并且在電池雙極板中布置溫度傳感器，獲取電池中的溫度分布，本發(fā)明針對大面積燃料電池單體面內(nèi)不均勻性，基于多點電壓數(shù)據(jù)、多點溫度數(shù)據(jù)，建立燃料電池四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型，分別獲取燃料電池陽極入口處和陽極出口處的電流密度分布，該方法具體包括以下步驟：[0078]S1、獲取大面積燃料電池陽極出口處和陽極入口處的電壓；[0079]燃料電池陽極入口和陽極出口處的電壓由電壓巡檢儀獲取，輸入燃料電池陽極入口處和陽極出口處的兩個電壓信息，并以此電壓數(shù)據(jù)作為估算電流密度的主要參數(shù)。[0080]本例中，以某大面積石墨板燃料電池為例，在各種測試工況下，獲取兩個位置的電壓信息，并且當電流密度從100mA/cm2上升至2000mA/cm2時，兩個位置的電壓表現(xiàn)出較為明顯的差異。[0081]S2、獲取燃料電池陽極入口流量、壓力和相對濕度以及陰極入口流量、壓力和相對[0082]由于燃料電池測試臺擁有氣體流量控制、氣體壓力控制和氣體濕度控制等功能，本例中采用燃料電池測試臺直接獲取這些參數(shù)。[0084]其中，本實例中溫度傳感器布置方案如圖4所示，在不同電流密度下，電池的面內(nèi)溫度分布會呈現(xiàn)較大的差異，如圖5所示，在100mA/cm2的電流密度下，電池內(nèi)部溫度分布差異為0.3℃,當電流密度上升為2000mA/cm2時，電池內(nèi)部溫度分布差異為4.5℃。[0085]S4、搭建四腔氣體動態(tài)模型和電壓模型；描述進出口的氣體動力學過程，將所有物質(zhì)視為理想氣體，其中，燃料電池采用的是陰極陽極交叉供氣模式，在模型搭建過程，將燃料電池劃分成兩個半電池(如圖3所示):[0087]1)陰極入口腔體腔體1和陽極出口腔體腔體4共同組成一個半電池，即陽極出口半[0088]2)陰極出口腔體腔體2和陽極入口腔體腔體3共同組成另外一個半電池，即陽極入口半電池；[0089]3)兩個燃料電池半電池并聯(lián)工作，但反應(yīng)氣體流動是串聯(lián)的關(guān)系；[0090]4)陰極新鮮空氣先進入陽極出口半電池，在陽極出口半電池中發(fā)生反應(yīng)后進入陽極入口半電池，之后再排出燃料電池；[0091]5)陽極新鮮氫氣先進入陽極入口半電池，在陽極入口半電池中發(fā)生反應(yīng)后進入陽極出口半電池，之后再排出燃料電池；影響采樣電壓。極入口腔體1中的空氣氧摩爾分數(shù),Wiir是陰極入口腔體1和陰極出口腔體2之間的摩[0108]式中，表示腔體2內(nèi)的氮氣分壓，表示腔體2內(nèi)的氧氣分壓，表示陰極出口流量的空氣氧摩爾分數(shù)，為陰極出口腔體2內(nèi)氧氣濃度。[0116]式中，表示入口氫氣的摩爾流量，取自測試臺的質(zhì)量流量傳感器，陽極入口流量的氫氣摩爾分數(shù)根據(jù)陽極入口相對濕度為40%計算。同樣由于完全加濕假設(shè)，蒸汽分壓等于局部飽和蒸汽壓,它由燃料電池工作溫度T。決定：[0117]對于陽極出口腔體4,得到以下狀態(tài)方程：[0121]同樣，對比陽極流道，方程式中的表示陽極入口腔體3和陽極入口腔體4之間[0124]在本發(fā)明中，陰極入口腔體1和陽極出口腔體4共同組成一個半電池，陰極出口腔體2和陽極入口腔體3共同組成另外一個半電池，因此，無論是陽極氣體濃度變化還是陰極氣體濃度變化，都會導致燃料電池內(nèi)部電流和電壓的再分配。[0126]為此，需要建立燃料電池內(nèi)部壓力、流量、溫度與電流和電壓等測量參數(shù)之間的關(guān)[0132]活化過電勢是指化學反應(yīng)剛開始時，激活化學反應(yīng)需要克服的阻力，雖然不論在陰極還是陽極均會有活化過電勢產(chǎn)生，但陰極側(cè)還原反應(yīng)速率遠小于氫氣氧化速度，所以一般陰極決定活化過電位，據(jù)此，活化過電勢可由Tafel半經(jīng)驗公式和Henry定律計算得到：[0133]Vact(Tfc,C?2,1)=0.279-kg(Tfc-298)+TfcIn(C?2)+TfcIn(1)面的氧氣溶解濃度，I為燃料電池的實際電流。[0135]歐姆過電勢為由質(zhì)子通過交換膜的等效阻抗R引起的壓降，根據(jù)歐姆定律，可以通過以下公式計算：[0139]在高電流密度下，反應(yīng)物或產(chǎn)物的傳質(zhì)受到阻礙，導致了濃差過電勢，濃度電壓損失可計算為：-ke(Tfc-298)+TfcIn(cch2?)+TVfcz=1.229-kg(Tc-298)+kc×Tc(In(Ph3)+0.5×In(PCh2[0144]本發(fā)明采用基于氧氣分壓、氫氣分壓、電池溫度、氧氣濃度的電壓模型來分析電流分布差異，△i為兩個半電池的電流差，每個單元的雙采樣電壓是27個方程的邊界條件，