(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111634997.2 (22)申请日 2021.12.27 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114186438 A (43)申请公布日 2022.03.15 (73)专利权人 天津大学 地址 300350 天津市津南区雅观路13 5号 (72)发明人 王博文　焦魁　倪萌　杜青　刘智　 (74)专利代理 机构 天津盈佳知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 12224 专利代理师 孙宝芸 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) C25B 1/04(2021.01) C25B 9/19(2021.01)(56)对比文件 CN 113704961 A,2021.1 1.26 审查员 黄明昊 (54)发明名称 用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模 型的建立方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于制氢的质子交换膜 电解池性能预测模型的建立方法， 实现不同操作 工况下， 电解池所需的输入电压的预测。 构建的 用于制氢的质子交换膜电解池性能预测模型的 建立方法， 模型包括5个部分： 求解电解池所需的 输入电压、 求解阳极和阴极的活化过电势、 求解 传质过电势、 求解欧姆过电势以及两相流传质计 算。 本发明提出的建模 方法准确描述了质子交换 膜电解池的电化学反应机理和内部传质特征， 同 时也考虑了电解池内的两相传输特性。 对于预测 质子交换膜电解池的性能具有很高的实际意义 和准确性。 模 型的输入参数涵盖了电解池运行中 的各项操作工况参数和电池材料设计参数， 能够 对这些核心参数对电解池性能的影响进行有效 预测。 权利要求书4页 说明书7页 附图1页 CN 114186438 B 2022.10.25 CN 114186438 B 1.用于制氢的质子交换膜电解池性 能预测模型的建立方法， 其特征是构建模型的方法 步骤如下： (1)求解电解池所需的输入电压 V＝Voc+Vact_a+Vact_c+Vcon_a+Vcon_c+Vohm      1‑1 式中V表示电解池的输入电压； Voc表示可逆电压； Vact_a和Vact_c分别表示阳极和阴极的 活化过电势； Vcon_a和Vcon_c分别表示阳极和阴极的传质过电势； Vohm表示欧姆过电势， 其中可逆电压Voc的计算式为： 式中T为温度； F为法拉第常数； R为 理想气体常数； pa和pc分别为阳极氧气分压和阴极氢 气分压； aH2O为水活度， (2)求解阳极和阴极的活化过电势 式中I为电流密度； αa和αc分别为阳极和阴极的电荷交换系数； 式2 ‑3和2‑4中i0,a、 i0,c分 别为阳极和阴极的交换电流密度； 其中的iref,a、 iref,c分别为阳极和阴极的参考交换电流密 度， (3)求解阳极和阴极的传质过电势 式3‑3中 为阳极催化层内有效氧气浓度， 为氧气浓度； 式3 ‑4中 为阴极催化层 内氢气浓度， 为氢气浓度； 为氧气参考浓度； 为氢气参考浓度； εadl和 εcdl分别为 阳极和阴极多孔电极孔隙率； 为阳极多孔电极内氧气饱和度； sg,dl‑cl,c为阴极多孔电 极内气体饱和度， (4)求解欧姆过电势权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114186438 B 2式中δmem、 δadl、 δcdl分别为质子交换膜阳极多孔电极和阴极多孔电极的厚度； σs为多孔电 极电子电导率； Rcon为接触电阻； σm为质子交换膜的离子电导率； λ为质子交换膜的水含量， λ 需由步骤(5)两相流传质计算部分求 解， (5)两相流传质计算 该步骤包括前述 步骤(3)中 的求解， (5.1)阳极流道内 需计算的参数如下： Jlq,inAin‑(Jlq,reac+Jlq,cro)Aact＝uout,aclqAinslq,out,a       5‑1 式中Jlq,in表示供给入阳极流道的液态水通量； Jlq,reac表示电化学反应消耗液态水的通 量； Jlq,cro表示从阳极到阴极的水跨膜通量； 表示由电化学反应生成氧气的通量； slq,ch,a 表示阳极流道内液态水平均饱和度； slq,in,a、 slq,out,a分别代表阳极流道入口和出口处液态 水饱和度； 表示阳极流道内氧气平均饱和度； 分别代表阳极流道入口 和出口处氧气饱和 度； Ain表示阳极流道入口面积； Aact表示电解池活化面积； uout,a表示阳极 流道内流速； clq为液态水浓度； 其中 Jlq,reac、 Jlq,cro由下式求得： 式中p0表示标准大气压， (5.2)阴极流道内 需要计算的参数如下： Jlq,croAact＝uout,cclqAinslq,out,c‑Nvp,out,c                         5‑9 Nvp,out,c＝uout,ccvpAinsg,out,c                                           5‑11 slq,out,c+sg,out,c＝1                                              5‑12 权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114186438 B 3