氢氧燃料电池内部水管理的方法、装置及氢氧燃料电池

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢氧燃料电池内部水管理的方法、装置及氢氧燃料电池。

背景技术

氢氧燃料电池通过阳极和阴极闭式运行操作模式可以实现较高的氢氧利用率和水回收率，将其应用于分布式可再生能源系统可以显著延长系统独立运行的时间。然而，闭式氢氧燃料电池内部的气流较弱，使得燃料电池内部存在水淹的风险。其中，氢氧燃料电池的电极孔径和工作温度等因素都会对水分的传输产生影响，进而影响整个电池内的水分布情况及水平衡。因此，对氢氧燃料电池内部水管理，以避免料电池内部水淹的风险，成为氢氧燃料电池亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供一种氢氧燃料电池内部水管理的方法、装置及氢氧燃料电池，能够实现氢氧燃料电池内部水管理，以避免料电池内部水淹的风险。

为达到上述目的，本申请采用如下技术方案：

本申请实施例第一方面，提供了一种氢氧燃料电池内部水管理的方法，所述方法包括：

获取氢氧燃料电池的控制方程，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和电化学反应方程；

获取所述氢氧燃料电池的模型结构，所述模型结构用于模拟所述氢氧燃料电池的内部流场结构；

获取所述氢氧燃料电池的模型参数和气体组分，所述模型参数包括电极活性比表面积，所述电极活性比表面积用于模拟所述氢氧燃料电池的电极孔径；

根据所述控制方程、所述模型结构、所述模型参数和所述气体组分，生成所述氢氧燃料电池的计算模型；

利用所述计算模型模拟不同电极孔径下所述氢氧燃料电池内部的水分布结果；

基于所述水分布结果确定所述氢氧燃料电池的内部结构，所述内部结构用于进行氢氧燃料电池内部水管理。

在一个实施例中，所述质量守恒方程为：

其中，ε为孔隙率，对于流道，ε＝1；ρ为混合气体的密度，可利用理想气体状态方程来求解，单位为kg/m3；

在一个实施例中，所述动量守恒方程为：

其中，S

在一个实施例中，所述组分守恒方程为：

其中，M

在一个实施例中，所述电化学反应方程中包括电荷守恒方程，所述电荷守恒方程为：

其中，

在一个实施例中，所述获取所述氢氧燃料电池的控制方程之前，所述方法还包括：

获取约束条件，基于所述约束条件生成所述控制方程。

在一个实施例中，所述约束条件包括：

所述氢氧燃料电池中的气体为理想气体、所述氢氧燃料电池的多孔电极和质子交换膜均满足各向同性和均匀性、以及所述氢氧燃料电池的阴极和阳极的进气都不包括杂质。

本申请实施例第二方面，提供了一种氢氧燃料电池内部水管理的装置，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取所述氢氧燃料电池的控制方程，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和电化学反应方程；

第二获取模块，用于获取所述氢氧燃料电池的模型结构，所述模型结构用于模拟所述氢氧燃料电池的内部流场结构；

第三获取模块，用于获取所述氢氧燃料电池的模型参数和气体组分，所述模型参数包括电极活性比表面积，所述电极活性比表面积用于模拟所述氢氧燃料电池的电极孔径；

确定模块，用于根据所述控制方程、所述模型结构、所述模型参数和所述气体组分，生成所述氢氧燃料电池的计算模型；

模拟模块，用于利用所述计算模型模拟不同电极孔径下所述氢氧燃料电池内部的水分布结果；

处理模块，用于基于所述水分布结果确定所述氢氧燃料电池的内部结构，所述内部结构用于进行氢氧燃料电池内部水管理。

本申请实施例第三方面，提供了一种电子设备，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实现本申请实施例第一方面中所述的氢氧燃料电池内部水管理的方法。

本申请实施例第四方面，提供了一种氢氧燃料电池，所述氢氧燃料电池采用本申请实施例第一方面中确定的所述氢氧燃料电池的内部结构制备得到。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例提供的氢氧燃料电池内部水管理的方法，通过获取氢氧燃料电池的控制方程，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和电化学反应方程；获取所述氢氧燃料电池的模型结构，所述模型结构用于模拟所述氢氧燃料电池的内部流场结构；获取所述氢氧燃料电池的模型参数和气体组分，所述模型参数包括电极活性比表面积，所述电极活性比表面积用于模拟所述氢氧燃料电池的电极孔径；根据所述控制方程、所述模型结构、所述模型参数和所述气体组分，生成所述氢氧燃料电池的计算模型；利用所述计算模型模拟不同电极孔径下所述氢氧燃料电池内部的水分布结果；基于所述水分布结果确定所述氢氧燃料电池的内部结构，所述内部结构用于进行氢氧燃料电池内部水管理，这样可以根据确定的氢氧燃料电池的内部结构进行氢氧燃料电池内部水管理，以避免料电池内部水淹的风险。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种氢氧燃料电池内部水管理的方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的一种氢氧燃料电池的模型结构的三维结构图；

图3为本申请实施例提供的一种氢氧燃料电池的模型结构中的流场分布结构图；

图4为本申请实施例提供的一种氢氧燃料电池内部水管理的装置的结构图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本申请保护的范围。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

另外，“基于”或“根据”的使用意味着开放和包容性，因为“基于”或“根据”一个或多个条件或值的过程、步骤、计算或其他动作在实践中可以基于额外条件或超出的值。

氢氧燃料电池通过阳极和阴极闭式运行操作模式可以实现较高的氢氧利用率和水回收率，将其应用于分布式可再生能源系统可以显著延长系统独立运行的时间。然而，闭式氢氧燃料电池内部的气流较弱，使得燃料电池内部存在水淹的风险。其中，氢氧燃料电池的电极孔径和工作温度等因素都会对水分的传输产生影响，进而影响整个电池内的水分布情况及水平衡。因此，对氢氧燃料电池内部水管理，以避免料电池内部水淹的风险，成为氢氧燃料电池亟待解决的问题。

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种氢氧燃料电池内部水管理的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤101、获取氢氧燃料电池的控制方程，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和电化学反应方程；

步骤102、获取所述氢氧燃料电池的模型结构，所述模型结构用于模拟所述氢氧燃料电池的内部流场结构；

步骤103、获取所述氢氧燃料电池的模型参数和气体组分，所述模型参数包括电极活性比表面积，所述电极活性比表面积用于模拟所述氢氧燃料电池的电极孔径；

步骤104、根据所述控制方程、所述模型结构、所述模型参数和所述气体组分，生成所述氢氧燃料电池的计算模型；

步骤105、利用所述计算模型模拟不同电极孔径下所述氢氧燃料电池内部的水分布结果；

步骤106、基于所述水分布结果确定所述氢氧燃料电池的内部结构，所述内部结构用于进行氢氧燃料电池内部水管理。

其中，基于所述水分布结果确定所述氢氧燃料电池的内部结构包括：氢氧燃料电池的电极孔径、气体扩散层的孔隙结构和除水装置。

示例的，根据模拟氢氧燃料电池内部的水分布结果来看，当气体扩散层具有微米级孔隙结构时，可以较好地排出电极内多余的水分，同时在较高的温度下更容易实现较好的水管理。阴极流道出口和中部比较容易发生水淹，应该对这些区域加设除水装置或设计自除水结构。

可选的，所述获取所述氢氧燃料电池的控制方程之前，所述方法还包括：

获取约束条件，基于所述约束条件生成所述控制方程。

具体的，预设条件包括：所述氢氧燃料电池中的气体为理想气体、所述氢氧燃料电池的多孔电极和质子交换膜均满足各向同性和均匀性、以及所述氢氧燃料电池的阴极和阳极的进气都不包括杂质。

此外，预设条件还包括：忽略重力的影响；阴极和阳极的气体流动都是低雷诺数的层流；固相之间无接触电阻和热阻；质子交换膜与催化层接合处的水含量依赖于水蒸气的浓度，忽略氢气与氧气在膜内的传输；忽略电池内部温度梯度的影响。

可选的，质量守恒方程为：

其中，ε为孔隙率，对于流道，ε＝1；ρ为混合气体的密度，可利用理想气体状态方程来求解，单位为kg/m3；

可选的，所述动量守恒方程为：

其中，S

其中，动力黏度可以根据下式计算得到。

其中，Xi为气体i的体积分数，也是摩尔分数；mi和mj分别为气体i和j的动力粘度；Mi和Mj分别为气体i和j的摩尔质量，单位为kg/mol。

可选的，所述组分守恒方程为：

其中，M

可选的，所述电化学反应方程中包括电荷守恒方程，所述电荷守恒方程为：

其中，

具体由Bruggeman关系的修正过程如下式所示：

在修正过程中，假设电极基质均匀，因此电极电导率设为常数，但是电解质的电导率受温度和水含量的影响，它们之间的关系如下式所示：

其中，λ为水含量，受水活度的影响，将在下面进行说明。源项Ss和Sm存在于催化层中，与体电流密度有关，单位为A/m

其中，

可选的，氢氧燃料电池的模型结构的三维结构如图2所示，氢氧燃料电池的模型结构中的流场分布结构如图3所示，图3表示了双极板流场中的流动情况。闭式条件下，流场没有出口，进入流场的物质都会在流道中扩散至气体扩散层。如图3所示，双极板内部的流场包含有多条流道，然而每条流道及其对应的物质传递扩散区域内的情况都是相似的。方便起见，本申请仅对其中一条流道及其对应的电池结构组分进行建模。可选的，所述氢氧燃料电池的模型参数如表1所示。

表1氢氧燃料电池的模型参数和其他参数

根据述氢氧燃料电池内部的水分布的模拟结果，在不同温度下，孔径对电极和气体流道内水的浓度分布情况影响是相似的，而反应气体的浓度分布及变化情况和水正好相反。无论在阴极还是阳极，水浓度最高的位置是出口侧远离流道的区域，最低的位置是入口侧靠近流道的区域。随着孔径减小，电极内水的浓度不断上升，气体浓度则不断下降。这表明水容易从较大孔隙中排出而气体容易在较小孔隙中进行传递。电极中远离流道且位于流道出口一侧的区域水浓度最高且气体浓度最低，此处能使用微米级孔隙加强排水；靠近流道且位于流道入口一侧的区域气体浓度最高而水浓度最低，此处可使用纳米级孔隙导气。

如图4所示，本申请实施例提供了一种氢氧燃料电池内部水管理的装置，所述装置包括：

第一获取模块11，用于获取所述氢氧燃料电池的控制方程，所述控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程和电化学反应方程；

第二获取模块12，用于获取所述氢氧燃料电池的模型结构，所述模型结构用于模拟所述氢氧燃料电池的内部流场结构；

第三获取模块13，用于获取所述氢氧燃料电池的模型参数和气体组分，所述模型参数包括电极活性比表面积，所述电极活性比表面积用于模拟所述氢氧燃料电池的电极孔径；

确定模块14，用于根据所述控制方程、所述模型结构、所述模型参数和所述气体组分，生成所述氢氧燃料电池的计算模型；

模拟模块15，用于利用所述计算模型模拟不同电极孔径下所述氢氧燃料电池内部的水分布结果；

处理模块16，用于基于所述水分布结果确定所述氢氧燃料电池的内部结构，所述内部结构用于进行氢氧燃料电池内部水管理。

在一个实施例中，所述质量守恒方程为：

其中，ε为孔隙率，对于流道，ε＝1；ρ为混合气体的密度，可利用理想气体状态方程来求解，单位为kg/m3；

在一个实施例中，所述动量守恒方程为：

其中，S

在一个实施例中，所述组分守恒方程为：

其中，M

在一个实施例中，所述电化学反应方程中包括电荷守恒方程，所述电荷守恒方程为：

其中，

在一个实施例中，所述第一获取模块11还用于：

获取约束条件，基于所述约束条件生成所述控制方程。

在一个实施例中，所述约束条件包括：

所述氢氧燃料电池中的气体为理想气体、所述氢氧燃料电池的多孔电极和质子交换膜均满足各向同性和均匀性、以及所述氢氧燃料电池的阴极和阳极的进气都不包括杂质。

关于氢氧燃料电池内部水管理的装置的具体限定可以参见上文中对于氢氧燃料电池内部水管理的方法的限定，在此不再赘述。

本申请另一实施例中，还提供了一种氢氧燃料电池，所述氢氧燃料电池采用本申请实施例提供的所述氢氧燃料电池的内部结构制备得到。

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。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。