CN114220995B - 燃料电池增湿器建模方法、设备和介质 - Google Patents

燃料电池增湿器建模方法、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种燃料电池增湿器建模方法、设备和介质。其中，方法包括：在Modelica仿真环境下搭建燃料电池增湿器仿真模型，所述仿真模型包括湿气通道、干气通道，以及位于所述湿气通道和所述干气通道的之间的质子交换膜；将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域；以每个区域内每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个区域的水传输方程组；根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定。本实施例兼顾计算效率和仿真精度，准确反映增湿器内部各区域的增湿效果。

Description

燃料电池增湿器建模方法、设备和介质
技术领域
本发明实施例涉及燃料电池仿真技术，尤其涉及一种燃料电池增湿器建模方法、设备和介质。
背景技术
质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极，质子交换膜位于膜电极中部，起传导质子、隔离反应物和电子的作用，需要结合一定的水分才能起到较好的质子传导作用。因此，在燃料电池工作时一般在进口处使用增湿器对进入电池的气体进行加湿，避免直通的干气造成质子交换膜水含量下降，影响电池性能。
现有技术中，一般采用基于用户目标湿度的建模方法建立增湿器仿真模型，通过强制修改经过增湿器的气体组分信息，使气体湿度属性符合用户输入的目标值。该方式只能计算增湿器整体的增湿效果，无法呈现增湿器内部的气体增湿过程，难以对增湿器选型工作形成有效指导。
发明内容
本发明实施例提供一种燃料电池增湿器建模方法、设备和介质，以对加湿器内部的增湿过程进行仿真。
第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池增湿器建模方法，包括：
在Modelica仿真环境下搭建燃料电池增湿器仿真模型，所述仿真模型包括湿气通道、干气通道，以及位于所述湿气通道和所述干气通道的之间的质子交换膜，所述仿真模型运行时用于将所述湿气通道中的水分通过所述质子交换膜传输到所述干气通道中；
根据所述仿真模型内水传输量的变化趋势，将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域；
根据流体力学和热力学原理，以每个区域内每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个区域的水传输方程组，所述水传输方程组用于计算每个区域内从所述湿气通道到所述干气通道的水传输量，其中，所述第一侧为每个区域干气进入的一侧；
根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定，其中所述校验系数用于校验所述仿真模型的仿真增湿过程与实际增湿过程之间的差异。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现任一实施例所述的燃料电池增湿器建模方法。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例所述的燃料电池增湿器建模方法。
本发明实施例本实施例考虑了每个通道内水传输量的变化趋势，将增湿器划分为多个区域，分区域建立水传输方程组；在区域内部认为各气体属性值不变，省去了微小变化带来的复杂计算；在区域之间认为各气体属性值是变化的，反映了增湿器内干气流动方向上的增湿过程。通过这一方式，兼顾计算效率和仿真精度，准确反映增湿器内部各区域的增湿效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1是本发明实施例提供的一种燃料电池增湿器建模方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种顺流增湿器仿真模型的内部结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种逆流增湿器仿真模型的内部结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种燃料电池增湿器建模方法，适用于在Modelica仿真环境中对燃料电池增湿器进行仿真建模的情况，本实施例由电子设备执行。该方法的流程图如图1所示，本实施例提供的方法具体包括：
S110、在Modelica仿真环境下搭建燃料电池增湿器仿真模型，所述仿真模型包括湿气通道、干气通道，以及位于所述湿气通道和所述干气通道的之间的质子交换膜，所述仿真模型运行时用于将所述湿气通道中的水分通过所述质子交换膜传输到所述干气通道中。
图2和图3均为本发明实施例提供的一种增湿器仿真模型的内部结构示意图。如图2和图3所示，增湿器内部包括湿气通道、干气通道和质子交换膜。湿气通道用于流通高湿气体（以下简称“湿气”），干气通道用于流通干燥气体（以下简称“干气”）。质子交换膜位于湿气通道和干气通道之间。
当增湿器仿真模型运行时，湿气通过湿气通道入口流入，流经整个湿气通道，通过湿气通道出口流出。干气通过干气通道入口流入，流经整个干气通道，通过干气通道出口流出。在气体流动过程中，湿气中的水分通过质子交换膜传输到干气中，提高干气通道出口的气体湿度，因此将干气通道出口的气体称为“增湿气”，将湿气通道出口的气体称为“减湿气”。
具体来说，根据湿气通道和干气通道内气体流动方向是否一致，可以将增湿器分为逆流增湿器和顺流增湿器两种类型。
图2为一种顺流增湿器仿真模型的内部结构示意图。如图2所示，在顺流增湿器中，湿气通道入口和干气通道入口位于增湿器的同以侧，湿气通道内的湿气流动方向与干气通道内的干气流动方向一致。
图3为一种逆流增湿器仿真模型的内部结构示意图。如图3所示，在逆流增湿器中，湿气通道入口和干气通道入口分别位于增湿器的两侧，湿气通道内的湿气流动方向与干气通道内的干气流动方向相反。
S120、根据所述仿真模型内水传输量的变化趋势，将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域。
随着气体在增湿器内部的流动，每个通道内的气体属性（如气体温度、气体压力和气体组分信息等）都会发生变化，从而影响仿真模型内的水传输量发生变化。因此本实施例中将增湿器仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域，忽略气体属性在区域内部的变化，认为各区域内部气体属性值是相同的，而各区域之间气体属性值是不同的。
具体来说，如图2或图3所示，沿干气流动方向将仿真模型划分为n个区域（n为自然数），分别记为：区域1、区域2、区域3，…，区域n。
在区域1内，认为湿气通道内同一气体属性的值是不变的，干气通道内的同一气体属性的值也是不变的；但湿气通道与干气通道相比，同一气体属性值是不同的，例如，气体组分信息不同，湿气通道内湿气中的水分占比大于干气通道内干气中的水分占比。区域2内气体属性值的情况与区域1内类似，不再赘述。
但区域1与区域2相比，同一气体属性的值也是不同的。仍以气体组分信息为例，对于干气通道而言，区域2中的干气吸收了更多的水分，其水分占比大于区域1中的干气中的水分占比；湿气通道类似，不再赘述。
此外，区域划分的方式有很多种，可以平均划分，也可以非平均划分。可选地，将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域，包括：将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域，所述多个区域的长度沿干气流动方向递增。
在仿真模型内部，从干气通道入口到干气通道出口的水传输量逐渐变小。具体来说，干气通道入口处两个通道的湿度差异最大，水传输量最大；干气通道出口处两个通道的湿度差异最小，水传输量最小。因此影响水传输量的气体属性在干气通道入口处变化最快，在干气通道出口处变化最慢。因此在区域划分时，可以将每个区域的长度按照设定步长递增（例如，当整个增湿器约30-40cm时，可以选取1cm作为设定步长），更符合增湿器的实际增湿过程。
本实施例通过S110和S120建立起了增湿器的机理模型。在该机理模型中，选取了增湿器最本质的三个部分：湿气通道、干气通道和质子交换膜，既能反映增湿器的增湿机理，又保持了模型构成的简洁性和必要性；同时，本实施例考虑了每个通道内气体属性的变化规律，将增湿器划分为多个区域，认为各区域内部气体属性值是不变的，而各区域之间气体属性值是变化的，既省去了微小变化带来的复杂计算，又能够反映增湿器内气体流动方向上的增湿过程，准确地呈现了增湿器内部各区域的增湿效果。
S130、根据流体力学和热力学原理，以每个区域内每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个区域的水传输方程组，所述水传输方程组用于计算每个区域内从所述湿气通道到所述干气通道的水传输量，其中，所述第一侧为每个区域干气进入的一侧。
每个区域都有自己的第一侧，以图2和图3为例，每个区域的第一侧指每个区域的左侧。由于区域内部各气体属性的值是不变的，因此本实施例以第一侧气体属性为方程参数，针对每个区域建立一个水传输方程组，分区域计算从湿气通道到干气通道的水传输量。具体来说，根据流体力学和热力学理论来构建水传输方程组，反映气体属性与水传输量之间的关系。具体的方程构建过程将在下面的实施例中详细介绍。
由于本实施例构建水传输方程组与实际水传输过程之间必定存在一定的偏差，因此在水传输方程组中设置一个待标定校验系数。该校验系数为一个数值，用于校验所述水传输方程与实际水传输过程之间的差异，进而校验所述仿真模型的增湿过程与实际增湿过程之间的差异。
S140、根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定。
设定工况是指希望增湿器仿真模型能够满足的工况，该工况包括每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性，能够综合反映增湿器的增湿性能。需要说明的是，这里的每个通道的入口和出口是指每个通道在增湿器整体的入口和出口，只与区域1和区域n有关，与中间的区域无关；而S130中的第一侧与每个区域都相关。
增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值用于对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定。具体来说，标定的实现过程如下：首先，以水传输量为方程参数，构建气体属性计算方程，该方程中同样包括了待标定的校验系数。然后，将入口气体属性设定值和出口气体属性设定值代入该计算方程，确定校验系数的值，实现对校验系数的标定。
标定好的仿真模型运行时用于提高干气通道出口的气体湿度，能够满足设定工况对应的增湿性能。
本实施例通过S130和S140构建了增湿器仿真模型的增湿性能方程组，通过校验系数校验所述仿真模型的增湿过程与实际增湿过程之间的差异，提高了增湿器性能调节的灵活性；并通过设定工况对校验系数进行标定，保证了增湿器对设定工况的匹配性和适应性，能够快速得到满足性能要求的增湿器仿真模型。
本实施例的技术效果是：本实施例考虑了每个通道内水传输量的变化趋势，将增湿器划分为多个区域，分区域建立水传输方程组；在区域内部认为各气体属性值不变，省去了微小变化带来的复杂计算；在区域之间认为各气体属性值是变化的，反映了增湿器内干气流动方向上的增湿过程。通过这一方式，兼顾计算效率和仿真精度，准确反映增湿器内部各区域的增湿效果。
在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对水传输方程组的构建过程进行细化。可选地，所述第一侧气体属性包括第一侧气体压力、第一侧气体比焓和第一侧气体组分信息；根据流体力学和热力学原理，以每个区域内每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个区域的水传输方程组，包括具体包括如下步骤：
步骤一、对于任一区域，以所述区域内每个通道的第一侧气体压力、第一侧气体比焓和第一侧气体组分信息为方程参数，构建每个通道的水蒸气分压计算方程、所述质子交换膜在每个通道的半膜水活度计算方程，以及所述质子交换膜的温度计算方程。
在任一区域内，本申请首先根据流体力学和热力学理论为每个通道建立各自的方程组，即根据湿气通道的第一侧气体属性构建湿气通道的计算方程组，通过干气通道的第一侧气体属性构建干气通道的计算方程组。
具体来说，首先，以每个通道的第一侧气体比焓和第一侧气体组分信息为方程参数，构建每个通道的第一侧气体温度计算方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，T 1,dry 表示干气通道的第一侧气体温度，h 1,dry 表示干气通道的第一侧气体比焓，X VP,dry 表示干气通道的水蒸气质量分数；T 1,wet 表示湿气通道的第一侧气体温度，h 1,wet 表示湿气通道的第一侧气体比焓，X VP,wet 表示湿气通道的水蒸气质量分数。其中，任一通道的第一侧气体组分信息包括该通道的水蒸气质量分数。
然后，以每个通道的第一侧气体温度为方程参数，构建每个通道的饱和蒸气压计算方程：
Figure 261481DEST_PATH_IMAGE002
其中，P sat,dry 表示干气通道的饱和蒸气压，P sat,wet 表示湿气通道的饱和蒸气压。
同时，以两个通道的第一侧气体温度为方程参数，构建质子交换膜的温度计算方程：
Figure 192528DEST_PATH_IMAGE003
（5）
其中，T表示质子交换膜的温度。
接着，以每个通道的第一侧气体压力和第一侧气体组分信息为方程参数，构建每个通道的水蒸气分压计算方程：
Figure 147190DEST_PATH_IMAGE004
其中，P 1,dry 表示干气通道的第一侧气体压力，P VP,dry 表示干气通道的水蒸气分压，K dry 表示干气通道中水蒸气与干空气的摩尔质量之比；P 1,wet 表示湿气通道的第一侧气体压力，P VP,wet 表示湿气通道的水蒸气分压，K wet 表示湿气通道中水蒸气与干空气的摩尔质量之比。其中，任一通道的第一侧气体组分信息包括该通道中水蒸气与干空气的摩尔质量之比。
下一步，以每个通道的饱和蒸气压和水蒸气分压为方程参数，构建所述质子交换膜在每个通道的半膜水活度计算方程：
Figure 149781DEST_PATH_IMAGE005
其中，a dry 表示干气通道的半膜水活度，a wet 表示湿气通道的半膜水活度。
步骤二、以每个通道的半膜水活度为方程参数，构建所述质子交换膜在每个通道的半膜模态水含量计算方程：
Figure 876429DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 243956DEST_PATH_IMAGE007
表示干气通道的半膜模态水含量，
Figure 626527DEST_PATH_IMAGE008
表示湿气通道的半膜模态水含量。
步骤三、以每个通道的半膜模态水含量为方程参数，构建所述质子交换膜在每个通道侧的模态水浓度计算方程，以及所述质子交换膜内水分的有效传输系数计算方程，其中所述有效传输系数计算方程中包括所述校验系数，用于校验所述水传输方程与实际水传输过程之间的差异。
具体来说，首先，以每个通道的半膜模态水含量为方程参数，构建所述质子交换膜在每个通道的半膜模态水浓度计算方程：
Figure 104913DEST_PATH_IMAGE009
其中，c dry 表示干气通道的半膜模态水浓度，c wet 表示湿气通道的半膜模态水浓度，ρ表示质子交换膜的密度，EW表示干态质子交换膜的当量质量。其中ρ、EW与质子交换膜的材料相关，视为质子交换膜的固有属性。
同时，以每个通道的半膜模态水含量为方程参数，构建所述质子交换膜内水分的有效传输系数计算方程：
Figure 13963DEST_PATH_IMAGE010
（14）
其中，D diff 表示有效传输系数；
Figure 552392DEST_PATH_IMAGE011
表示所述校验系数，是待标定的未知量；D 0 表示传输系数，是关于
Figure 687838DEST_PATH_IMAGE012
的函数，
Figure 704335DEST_PATH_IMAGE013
；K corr 表示修正系数，是关于质子交换膜温度T的函数。
具体来说，通过以下方程计算D 0：
Figure 467892DEST_PATH_IMAGE014
（15）
Figure 439872DEST_PATH_IMAGE015
（16）
其中，T 0 表示参考温度，T 0 =298.15K（开尔文）。
步骤四、根据菲克定律，以所述有效传输系数和每个通道的半膜模态水浓度为方程参数，构建所述区域内从所述湿气通道到所述干气通道的水传输量计算方程：
Figure 328193DEST_PATH_IMAGE016
（17）
其中，dn表示水传输量；δ表示质子交换膜的厚度，S表示质子交换膜的面积，δ和S为预设值。
此外，方程（1）-方程（17）构成了本实施例的水传输方程组，从这些方程中可以看出，影响水传输的因素有通道内压力和温度。通道内的压力是线性变化的，而温度传输受干湿测的温差影响，因此在上述实施例中将多个区域前密后疏的划分方式是符合真实水传输过程的。
本实施例利用增湿器的水传输原理进行建模，并简化了增湿器内部的传热机理和水传输机理，使仿真模型的水传输方程仅涉及最常用的气体属性，降低了对工况参数的要求，提高了仿真模型对不同工况的适用性；同时在满足计算准确性的基础上，无需建立更复杂的计算方程，提高了运算效率和整个增湿器仿真模型的仿真效率。
在上述实施例和下述实施例的基础上，本实施例对校验系数标定的过程进行细化。可选地，所述入口气体属性设定值包括：入口气体压力设定值、入口气体比焓设定值、入口气体质量流量设定值，以及入口气体组分信息设定值；所述出口气体属性设定值包括：出口气体压力设定值、出口气体比焓设定值、出口气体质量流量设定值，以及出口气体组分信息设定值。
在同一设定工况下，顺流增湿器和逆流增湿器的校验系数标定过程是不同的。下面分别介绍顺流增湿器和逆流增湿器的标定过程。
情况一：如果所述增湿器为顺流增湿器，则根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定，具体包括如下步骤：
步骤一：将所述多个区域中第一个区域作为待计算区域，将每个通道的入口气体属性设定值作为所述待计算区域每个通道的第一侧气体属性实际值。
在顺流增湿器中，增湿器的干气通道入口和湿气通道入口均位于第一个区域的第一侧（图2和图3中为左侧），因此将每个通道的入口气体属性设定值作为所述待计算区域每个通道的第一侧气体属性实际值。
步骤二：将所述第一侧气体属性实际值代入所述待计算区域的水传输方程组，得到所述待计算区域的水传输量函数。
具体来说，首先，将每个通道的第一侧气体比焓实际值和第一侧气体组分信息实际值代入方程（1）（2），根据方程（1）-（17），依次计算每个通道的第一侧气体温度、饱和蒸气压、质子交换膜温度、水蒸气分压、半膜水活度、半膜模态水含量、半膜模态水浓度，最终计算得到所述待计算区域的水传输量函数，该函数以所述校验系数为自变量。
步骤三：根据所述水传输量函数和所述第一侧气体属性实际值，得到所述待计算区域的第二侧气体属性函数。所述第二侧为每个区域干气流出的一侧，以图2和图3为例，每个区域的第二侧指每个区域的右侧。
第二侧气体属性函数包括：第二侧气体压力函数、第二侧气体比焓函数、第二侧气体质量流量函数和第二侧气体组分信息函数。每个第二侧气体属性函数以校验系数为自变量。
具体来说，每个通道的第二侧气体压力函数的确定方法如下：对于任一通道而言，首先通过预先存储的流阻曲线或采用流体力学中流阻计算方法，获取第一侧气体质量流量下的区域流阻；然后用每个通道第一侧气体压力减去流阻，得到每个通道的第二侧气体压力。可以看出，第二侧气体压力与校验系数无关，可以理解为关于校验系数的常数函数。
每个通道的第二侧气体组分信息函数的确定方法如下：根据质量守恒定律，每个通道中非水分的气体成分在第一侧和第二侧是质量守恒的。根据水传输量求解湿气通道减少的水分质量，以及干气通道增加的水分质量，再结合每个通道的第一侧气体组分信息，就可以得到每个通道的第二侧气体组分信息函数。可见，第二侧气体组分信息与水传输量相关，是关于校验系数的函数。
每个通道的第二侧气体比焓函数的确定方法如下：首先，对于任一通道而言，确定第二侧气体质量流量，第二侧气体质量流量=第一侧气体质量流量减去第二侧湿气通道向干气通道传输的水的质量流量；然后根据能量守恒定律，湿气通道的第二侧气体焓值为第一侧气体焓值减去向干气通道传输的水所含的焓值；干气通道第二侧的焓值为第一侧焓值加上由湿气通道传输的水所含的焓值，而焓值=比焓*质量流量，从而得到每个通道的第二侧气体比焓函数。具体来说：
h 2,dry *m flow,2,dry =h 1,dry *m flow,1,dry +C p *T 1,wet *dn*M H2O （20）
其中，h 2,dry 表示干气通道的第二侧气体比焓，m flow,2,dry 表示干气通道的第二侧气体质量流量，h 1,dry 表示干气通道的第一侧气体比焓，m flow,1,dry 表示干气通道的第一侧气体质量流量，C p 表示水的比热容，T 1,wet 表示湿气通道的第一侧气体温度，dn表示水传输量，M H2O 表示水的摩尔质量；
因此，h 2,wet *m flow,2,wet =h 1,wet *m flow,1,wet -C p *T 1,wet *dn*M H2O （21）
其中，h 2,wet 表示湿气通道的第二侧气体比焓，m flow,2,wet 表示湿气通道的第二侧气体质量流量，h 1,wet 表示湿气通道的第一侧气体比焓，m flow,1,dry 表示湿气通道的第一侧质量流量。
步骤四、将所述第二侧气体属性函数作为下一区域的第一侧气体属性实际值，将所述下一区域作为所述待计算区域，返回将所述第一侧气体属性实际值代入所述待计算区域的水传输方程组，得到所述待计算区域的水传输量函数的步骤，直到得到最后一个区域的第二侧气体属性函数。
步骤五、将每个通道的出口气体属性设定值作为所述最后一个区域的第二侧气体属性函数的值，对所述校验系数进行标定。
可选地，将每个通道的出口气体属性设定值作为所述最后一个区域的第二侧气体属性函数的值，对所述校验系数进行标定，包括：求解代入后的多个第二侧气体属性函数方程，得到所述校验系数的值；如果所述校验系数的值有多个，求取所述多个值的平均值，作为所述校验系数的值更新为所述平均值。
将每个通道的出口气体属性设定值作为所述最后一个区域的第二侧气体属性函数后，会得到多个第二侧气体属性函数方程。求解这些方程得到多个校验系数值，通常这些校验系数值是不相同的，这是因为在气体属性的测量或计算中，不可避免地会引入各种误差，使得每个第二侧气体属性函数方程计算得到的校验系数不完全相同。这时求取它们的平均值，作为校验系数最终的值。
情况二：如果所述增湿器为逆流增湿器，根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定，具体包括如下步骤：
步骤一、对于任一区域，以所述水传输量和每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个通道的第二侧气体属性计算方程。
第二侧气体属性包括：第二侧气体压力、第二侧气体比焓、第二侧气体质量流量和第二侧气体组分信息。
具体来说，每个通道的第二侧气体压力计算方程的确定方法如下：对于任一通道而言，首先通过预先存储的增湿器流阻曲线或采用流体力学中流阻计算方法，获取气体流入侧气体质量流量下的增湿器每个通道的整体流阻，区域流阻=整体流阻*区域长度/通道长度；然后构建第二侧气体压力计算方程：区域流阻=气体流入侧气体压力-气体流出侧气体压力。需要说明的是，在逆流增湿器中，干气通道的气体流入侧为所述第一侧，而湿气通道的气体流入侧为所述第二侧，与顺流增湿器不同。
每个通道的第二侧气体组分信息计算方程的确定方法如下：根据质量守恒定律，每个通道中非水分的气体成分在第一侧和第二侧是质量守恒的。以水传输量代表湿气通道减少的水分质量以及干气通道增加的水分质量，建立质量守恒方程。
每个通道的第二侧气体比焓计算方程的确定方法如下：首先根据第二侧气体质量流量=第一侧气体质量流量减去第二侧湿气通道向干气通道传输的水的质量流量，构建每个通道的第二侧气体质量流量计算方程。然后根据能量守恒定律构建每个通道的第二侧气体比焓计算方程：湿气通道的湿气流出侧焓值=湿气流出侧焓值-向干气通道传输的水所含的焓值；干气通道干气流出侧焓值=干气流入侧焓值+由湿气通道传输的水所含的焓值。
步骤二、将上一区域的第二侧气体属性作为下一区域的第一侧气体属性，将所述多个区域两个通道的所有计算方程联立，形成标定方程组。
步骤三、将所述干气通道的入口气体属性设定值作为所述多个区域中第一个区域干气通道的第一侧气体属性实际值，将所述干气通道的出口气体属性设定值作为最后一个区域干气通道的第二侧气体属性实际值，将所述湿气通道的入口气体属性设定值作为所述最后一个区域湿气通道的第二侧气体属性实际值，将所述湿气通道的出口气体属性设定值作为所述第一个区域湿气通道的第一侧气体属性实际值，代入所述标定方程组。
由于在逆流增湿器中，干气通道的气体流入侧为所述第一侧，而湿气通道的气体流入侧为所述第二侧，因此气体属性设定值的代入关系与顺流增湿器也不同。
步骤四、根据代入后的标定方程组，对所述校验系数进行标定。
本实施例对于顺流增湿器和逆流增湿器给出不同的仿真计算方法。由于顺流增湿器各通道的气体流动方向是一致的，因此可以按照气体流动方向，由第一个区域的第一侧气体属性依次计算出每个区域的第二侧气体属性，然后将最终得到的最后一个区域的第二侧气体属性与增湿器每个通道的出口气体属性设定值进行比对，完成对未知校验系数的标定。而逆流增湿器各通道的气体流动方向是相反的，不能按照气体流动方向依次计算各区域的第二侧气体属性，因此首先建立各区域的计算方程组，然后将所有方程组联立来求解其中的未知校验系数。
需要说明的是，顺流增湿器的第二侧气体属性也可以通过联立形成标定方程组的方式来计算，方程组构建过程与增湿器类似，只是每个通道的气体流入方向和流出方向不同。利用Modilica仿真软件，可以对标定方程组进行自动匹配和计算，计算效率远远高于其他仿真软件，大大简化建模难度。
可选地，根据代入后的标定方程组，对所述校验系数进行标定，包括：求解代入后的标定方程组，得到所述校验系数的值；如果所述校验系数的值有多个，求取所述多个值的平均值，作为所述校验系数的值更新为所述平均值。
与顺流增湿器类似，求解代入后的标定方程组会得到多个校验系数值，通常这些校验系数值是不相同的，这是因为在气体属性的测量或计算中，不可避免地会引入各种误差，使得每个方程计算得到的校验系数不完全相同。这时求取它们的平均值，作为校验系数最终的值。
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图4所示，该设备包括处理器40、存储器41、输入装置42和输出装置43；设备中处理器40的数量可以是一个或多个，图4中以一个处理器40为例；设备中的处理器40、存储器41、输入装置42和输出装置43可以通过总线或其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。
存储器41作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的燃料电池增湿器建模方法对应的程序指令/模块。处理器40通过运行存储在存储器41中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的燃料电池增湿器建模方法。
存储器41可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器41可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器41可进一步包括相对于处理器40远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置42可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置43可包括显示屏等显示设备。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一实施例的燃料电池增湿器建模方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种燃料电池增湿器建模方法，其特征在于，包括：
在Modelica仿真环境下搭建燃料电池增湿器仿真模型，所述仿真模型包括湿气通道、干气通道，以及位于所述湿气通道和所述干气通道的之间的质子交换膜，所述仿真模型运行时用于将所述湿气通道中的水分通过所述质子交换膜传输到所述干气通道中；
根据所述仿真模型内水传输量的变化趋势，将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域；
根据流体力学和热力学原理，以每个区域内每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个区域的水传输方程组，所述水传输方程组用于计算每个区域内从所述湿气通道到所述干气通道的水传输量，其中，所述第一侧为每个区域干气进入的一侧；
根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定，其中所述校验系数用于校验所述仿真模型的仿真增湿过程与实际增湿过程之间的差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一侧气体属性包括第一侧气体压力、第一侧气体比焓和第一侧气体组分信息；
根据流体力学和热力学原理，以每个区域内每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个区域的水传输方程组，包括：
对于任一区域，以所述区域内每个通道的第一侧气体压力、第一侧气体比焓和第一侧气体组分信息为方程参数，构建每个通道的水蒸气分压计算方程、所述质子交换膜在每个通道的半膜水活度计算方程，以及所述质子交换膜的温度计算方程；
以每个通道的半膜水活度为方程参数，构建所述质子交换膜在每个通道的半膜模态水含量计算方程；
以每个通道的半膜模态水含量为方程参数，构建所述质子交换膜在每个通道的半膜模态水浓度计算方程，以及所述质子交换膜内水分的有效传输系数计算方程，其中所述有效传输系数计算方程中包括所述校验系数；
根据菲克定律，以所述有效传输系数和每个通道的半膜模态水浓度为方程参数，构建所述区域内从所述湿气通道到所述干气通道的水传输量计算方程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于任一区域，以所述区域内每个通道的第一侧气体压力、第一侧气体比焓和第一侧气体组分信息为方程参数，构建每个通道的水蒸气分压计算方程、所述质子交换膜在每个通道的半膜水活度计算方程，以及所述质子交换膜的温度计算方程，包括：
对于任一区域，以每个通道的第一侧气体压力、第一侧气体比焓和第一侧入口气体组分信息为方程参数，构建每个通道的第一侧气体温度计算方程；
以所述湿气通道和所述干气通道的第一侧气体温度为方程参数，构建所述质子交换膜的温度计算方程：
Figure 673025DEST_PATH_IMAGE001
其中，T表示所述质子交换膜的温度，T 1,dry 表示所述干气通道的第一侧气体温度，T 1,wet 表示所述湿气通道的第一侧气体温度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述入口气体属性设定值包括：入口气体压力设定值、入口气体比焓设定值、入口气体质量流量设定值，以及入口气体组分信息设定值；
所述出口气体属性设定值包括：出口气体压力设定值、出口气体比焓设定值、出口气体质量流量设定值，以及出口气体组分信息设定值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述增湿器为顺流增湿器，其中顺流增湿器为干气通道入口与湿气通道入口均位于所述第一侧的增湿器；
根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定，包括：
将所述多个区域中第一个区域作为待计算区域，将每个通道的入口气体属性设定值作为所述待计算区域每个通道的第一侧气体属性实际值；
将所述第一侧气体属性实际值代入所述待计算区域的水传输方程组，得到所述待计算区域的水传输量函数；
根据所述水传输量函数和所述第一侧气体属性实际值，得到所述待计算区域的第二侧气体属性函数，其中所述第二侧为每个区域干气流出的一侧；
将所述第二侧气体属性函数作为下一区域的第一侧气体属性实际值，将所述下一区域作为所述待计算区域，返回将所述第一侧气体属性实际值代入所述待计算区域的水传输方程组，得到所述待计算区域的水传输量函数的步骤，直到得到最后一个区域的第二侧气体属性函数；其中，所述水传输量函数和所述第二侧气体属性函数均为关于所述校验系数的函数；
将每个通道的出口气体属性设定值作为所述最后一个区域的第二侧气体属性函数的值，对所述校验系数进行标定。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述增湿器为逆流增湿器，其中逆流增湿器为干气通道入口与湿气通道入口分别位于两侧的增湿器；
根据所述水传输量方程组，以及增湿器在设定工况下每个通道的入口气体属性设定值和出口气体属性设定值，对所述水传输方程组中的待标定校验系数进行标定，包括：
对于任一区域，以所述水传输量和每个通道的第一侧气体属性为方程参数，构建每个通道的第二侧气体属性计算方程；
将上一区域的第二侧气体属性作为下一区域的第一侧气体属性，将所述多个区域两个通道的所有计算方程联立，形成标定方程组；
将所述干气通道的入口气体属性设定值作为所述多个区域中第一个区域干气通道的第一侧气体属性实际值，将所述干气通道的出口气体属性设定值作为最后一个区域干气通道的第二侧气体属性实际值，将所述湿气通道的入口气体属性设定值作为所述最后一个区域湿气通道的第二侧气体属性实际值，将所述湿气通道的出口气体属性设定值作为所述第一个区域湿气通道的第一侧气体属性实际值，代入所述标定方程组；
根据代入后的标定方程组，对所述校验系数进行标定。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域，包括：
将所述仿真模型沿干气流动方向划分为多个区域，所述多个区域的长度沿干气流动方向递增。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将每个通道的出口气体属性设定值作为所述最后一个区域的第二侧气体属性函数的值，对所述校验系数进行标定，包括：
求解代入后的多个第二侧气体属性函数方程，得到所述校验系数的值；
如果所述校验系数的值有多个，求取所述多个值的平均值，作为所述校验系数的值更新为所述平均值。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-8中任一所述的燃料电池增湿器建模方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的燃料电池增湿器建模方法。
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