一种燃料电池的水平衡分析与设计方法与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种燃料电池的水平衡分析与设计方法。

背景技术：

1、燃料电池水平衡设计是指从基本的传热传质机理出发，通过优化燃料电池内的多组分多相传输过程，在保证膜加湿（减小电阻）的前提下，加快反应气体输送与液态水排出（提高电化学反应速率），从而提高性能。

2、燃料电池水平衡设计的矛盾点在于：膜需要电极保留足够的水润湿以降低质子传导电阻，而反应气体传输需要畅通的孔道以支撑高电流密度下的电极反应，两者对于水的需求冲突是燃料电池在水管理方面进行设计优化的难点。

3、随着新一代高功率密度燃料电池电堆和系统的开发，产业化和基础理论研究均对燃料电池水管理提出了新的要求。一方面，高功率密度要求系统具有高集成度，而传统水管理设计采用空气增湿，空气增湿器方案复杂且成本高，成为系统小型化和降本的主要瓶颈；另一方面，电流密度持续提升使得反应气体、温度和液态水分布特别是沿流道方向的不均匀性大大增加，可能出现阴极入口区域电解质润湿不足，而出口区域出现电极或流道水淹现象，导致局部供气不足，影响电池的性能和寿命，因此无外部增湿技术需要同时解决膜电极区域性的润湿问题和排水问题。

4、现有技术中，燃料电池水平衡开发通常依赖于试验结果的反馈，通过优化材料结构和操作工况，实现润湿与传质的平衡。

5、比如，公开号为cn118610525a的发明申请公开了一种燃料电池水平衡控制方法、装置和燃料电池系统，方法包括：获取燃料电池系统中燃料电池运行时的实际运行功率；基于实际运行功率，确定燃料电池所处环境的环境状态；响应于燃料电池所处环境的环境状态为异常状态，调控目标子系统对应的目标物理量，以使燃料电池所处环境达到水平衡。

6、由于燃料电池多尺度结构下的传热传质导电过程相互耦合，水管理研究十分复杂，导致工程设计和优化难以解耦，可能导致在材料选型、结构设计和操作条件优化方面给研究者引入错误的判断。此外，水热敏感性和性能评价试验会耗费很高的时间/人力/资金成本，而且试验结果具有很强的局限性，难以对燃料电池地水平衡状态进行全面准确地评估和优化。

7、因此，如何建立操作工况、材料特性、水状态分布与性能的直接关联，更高效和针对性地进行燃料电池水平衡开发，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有燃料电池水管理优化技术的不足，本发明提出一种燃料电池水平衡分析与设计方法，基于理论分析提出了水平衡的设计要点与量化指标，基于开发的水平衡仿真工具建立了操作工况、材料特性、水状态分布与性能的直接关联，可以高效地实现材料筛选、操作条件优化与性能预测，具有较高的普适性和准确性。

2、一种燃料电池的水平衡分析与设计方法，包括以下步骤：

3、步骤1，获取燃料电池的关键参数，关键参数包括燃料电池的运行条件参数和物化特性参数；

4、步骤2，将所述关键参数输入到理论分析模型，理论分析模型响应并进行理论计算，得到燃料电池阳极和阴极的理论干涸边界；

5、步骤3，将所述关键参数输入到仿真分析模型，仿真分析模型响应并进行仿真计算，得到燃料电池的水分布状态；

6、步骤4，将步骤3所得的水分布状态与步骤2所得的理论干涸边界以及预先设定的水平衡设计要求进行比较，若处于理论干涸边界范围内且满足预先设定的水平衡设计要求，则确定该水分布状态为所述燃料电池合适的水平衡状态。

7、优选的，步骤1中，燃料电池的运行条件参数包括：冷却腔入口和出口温度、阳极入口和出口压力、阴极入口和出口压力、阳极和阴极计量比、阳极和阴极入口相对湿度、工作电流密度、输出电压和水净跨膜传输比例

α；

8、燃料电池的物化特性参数包括：反应区面积、阳极与阴极流场物性、阳极与阴极气体扩散层物性、阳极与阴极微孔层物性、阳极与阴极催化层物性和质子交换膜物性。

9、优选的，阳极与阴极流场物性包括阳极与阴极流场的厚度和热导率；

10、阳极与阴极气体扩散层物性包括阳极与阴极气体扩散层的厚度、热导率和孔隙率；

11、阳极与阴极微孔层物性包括阳极与阴极微孔层的厚度、热导率和孔隙率；

12、阳极与阴极催化层物性包括阳极与阴极催化层的厚度、热导率和孔隙率；

13、质子交换膜物性包括质子交换膜的厚度、干态等效质量、干态密度、水含量、水扩散系数、水电渗拖拽系数和质子电导率。

14、优选的，步骤2中，阳极理论干涸边界是指阳极入口增湿的水全部通过质子交换膜传输到阴极侧的临界点，阴极理论干涸边界是指阴极入口增湿和阴极催化层反应生成的总水量全部通过质子交换膜传输到阳极侧的临界点。

15、优选的，步骤3中，将所述关键参数输入到仿真分析模型是指在预先设定的输入参数下，基于水在各层中的传输机制和质量守恒方程，通过仿真计算获得输出的水分布状态。

16、优选的，步骤3中，仿真分析模型包括：燃料电池单电池的结构包括：质子交换膜，位于质子交换膜阳极侧从内到外布置的阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层和阳极流场，以及位于质子交换膜阴极侧从内到外布置的阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层和阴极流场；阳极和阴极气体反向供给与流动，冷却腔介质与阴极空气流动方向保持一致。

17、更优选的，设定位置阳极入口、阳极出口、阳极流场/气体扩散层界面、阳极流场/气体扩散层界面、阳极微孔层/催化层界面、阳极催化层/质子交换膜界面、阴极入口和阴极出口；

18、基于热量流量守恒原理，计算各位置产热导热相关参数，包括各层热阻、阳极总热阻、阴极总热阻、燃料电池总热阻、燃料电池总产热量以及各位置的温度；

19、基于流量守恒原理和水传输机制，计算各位置其他关键特性参数，包括各层压力、流量、相对湿度和各气体组分摩尔分数；

20、结合流量守恒原理与水在质子交换膜中的传输机制，计算各位置的水含量、水传输物性和质子电阻；

21、并最终计算获得阳极出口相对湿度、阴极出口相对湿度和质子交换膜总质子电阻。

22、优选的，步骤4中，预先设定的水平衡设计要求包括：

23、基于燃料电池的排水能力确定阳极和阴极出口的相对湿度要求；

24、和，基于燃料电池的性能要求确定质子交换膜的质子电阻要求。

25、本发明提供了一种燃料电池的水平衡分析和设计方法，该方法从燃料电池内部水的传输机理出发，充分考虑材料结构特性和运行条件对水的传输和分布影响，并建立起水分布状态与燃料电池出口湿度和质子交换膜电阻的直接关联，能够用于分析电池内部的干湿状态，通过和提出的量化设计指标比较，可以高效地指导燃料电池进行水管理设计优化时的材料选型、操作条件优化和性能预测等工作。

1.一种燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，步骤1中，燃料电池的运行条件参数包括：冷却腔入口和出口温度、阳极入口和出口压力、阴极入口和出口压力、阳极和阴极计量比、阳极和阴极入口相对湿度、工作电流密度、输出电压和水净跨膜传输比例α；

3.根据权利要求1所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，阳极与阴极流场物性包括阳极与阴极流场的厚度和热导率；

4.根据权利要求1所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，步骤2中，阳极理论干涸边界是指阳极入口增湿的水全部通过质子交换膜传输到阴极侧的临界点，阴极理论干涸边界是指阴极入口增湿和阴极催化层反应生成的总水量全部通过质子交换膜传输到阳极侧的临界点。

5.根据权利要求1所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，步骤3中，将所述关键参数输入到仿真分析模型是指在预先设定的输入参数下，基于水在各层中的传输机制和质量守恒方程，通过仿真计算获得输出的水分布状态。

6.根据权利要求1所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，步骤3中，仿真分析模型包括：燃料电池单电池的结构包括：质子交换膜，位于质子交换膜阳极侧从内到外布置的阳极催化层、阳极微孔层、阳极气体扩散层和阳极流场，以及位于质子交换膜阴极侧从内到外布置的阴极催化层、阴极微孔层、阴极气体扩散层和阴极流场；阳极和阴极气体反向供给与流动，冷却腔介质与阴极空气流动方向保持一致。

7.根据权利要求6所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，设定位置阳极入口、阳极出口、阳极流场/气体扩散层界面、阳极流场/气体扩散层界面、阳极微孔层/催化层界面、阳极催化层/质子交换膜界面、阴极入口和阴极出口；

8.根据权利要求1所述燃料电池的水平衡分析与设计方法，其特征在于，步骤4中，预先设定的水平衡设计要求包括：