CN115577529A - 一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，包括：S1、构建燃料电池系统增湿器仿真模型：包括湿气通道、干气通道、以及位于两者之间的质子交换膜；S2、根据质子交换膜内水浓度扩散原理，建立增湿器渗透系数与水流量、通道压力的关系；S3、根据实验测试计算得到增湿器渗透系数经验值；S4、确定增湿器渗透系数后，通过采集部分参数的方式，求解其余参数。本发明详细阐述了燃料电池增湿器仿真模型搭建，并且经过实验进行验证，所述增湿器仿真模型与实测结果相吻合，说明该模型可用。上述增湿器数学模型可为增湿器开发、系统测试等场景提供理论基础。

Description

一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法
技术领域
本发明涉及属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化成电能和热能的反应装置，其中，质子交换膜燃料电池由于其低运行温度、高功率密度和快速启动等优点广泛应用于汽车、分布式发电站、军工等各领域，成为“氢时代”最具发展潜力的能源利用装置。水管理对提高质子交换膜燃料电池的效率及耐久性有着极其重要的作用，空路子系统中的增湿器直接影响电堆内的水含量。当质子交换膜中水分子过少时，膜不能传导质子，燃料电池效率下降；质子交换膜中水分子过多时，可能会引起整个燃料电池系统堵水，影响系统正常工作。因此，合理选择增湿器，分析其工作能力在燃料电池系统设计前期能够很好的节省时间，提高效率，对燃料电池系统的控制策略有指导意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，包括以下步骤：
S1、构建燃料电池系统增湿器仿真模型：包括湿气通道、干气通道、以及位于两者之间的质子交换膜；
S2、根据质子交换膜内水浓度扩散原理，建立增湿器渗透系数与水流量、通道压力的关系；
S3、根据实验测试计算得到增湿器渗透系数经验值；
S4、确定增湿器渗透系数后，通过采集部分参数的方式，求解其余参数。
作为上述方案的优选，步骤S1中，湿气通道与干气通道相互垂直分布。
作为上述方案的优选，步骤S2中，质子交换膜内水浓度扩散公式如下：
Figure BDA0003882495010000021
式中，m1为经过增湿器进入燃料电池电堆的水的质量流量，单位为kg/s；k1为增湿器渗透系数，单位为kg*J/pa/mol；Pwet为湿气通道进口一侧水分压，单位为kpa；Pdry为干气通道内水分压，单位为kpa；Pdry1为干气通道进口一侧水分压，单位为kpa；Pdry2为干气通道出口一侧水分压，单位为kpa；R为气体常数；T为增湿器内温度，单位为K。
作为上述方案的优选，步骤S3中，实验中对经过增湿器进入燃料电池电堆的水的质量流量以及各压力进行采点，并通过拟合得出相应的渗透系数值，作为评价增湿器性能的指标，也作为固定经验值。
作为上述方案的优选，步骤S4具体体现为：
S41、针对增湿器干气通道出口处，建立经过增湿器进入燃料电池电堆的水与空气的质量流量比公式(2)：
Figure BDA0003882495010000022
式中，m2为经过增湿器进入燃料电池电堆的空气的质量流量，单位为kg/s；Mwater为水的摩尔质量，单位为g/mol；Mair为空气的摩尔质量，单位为g/mol；Pin为经过增湿器进入燃料电池电堆的压力，单位为kpa；
S42、联立上述公式(1)、公式(2)得到以下公式(3)：
Figure BDA0003882495010000023
其中，引入二次项系数a，b，c，并令
Figure BDA0003882495010000031
Figure BDA0003882495010000032
Figure BDA0003882495010000033
则
Figure BDA0003882495010000034
S43、收集经过增湿器进入燃料电池电堆的空气的质量流量、经过增湿器进入燃料电池电堆的压力、湿气通道进口一侧水分压、干气通道进口一侧水分压参数，得到干气通道出口一侧水分压数值。
由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：
本发明详细阐述了燃料电池增湿器仿真模型搭建，并且经过实验进行验证，所述增湿器仿真模型与实测结果相吻合，说明该模型可用。上述增湿器数学模型可为增湿器开发、系统测试等场景提供理论基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的膜增湿器构型图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，包括以下步骤：
S1、构建燃料电池系统增湿器仿真模型(如图2所示)：包括湿气通道、干气通道、以及位于两者之间的质子交换膜；
S2、根据质子交换膜内水浓度扩散原理，建立增湿器渗透系数与水流量、通道压力的关系；
S3、根据实验测试计算得到增湿器渗透系数经验值；
S4、确定增湿器渗透系数后，通过采集部分参数的方式，求解其余参数。
在本实施例中，步骤S1中，湿气通道与干气通道相互垂直分布。
在本实施例中，步骤S2中，质子交换膜内水浓度扩散公式如下：
Figure BDA0003882495010000041
式中，m1为经过增湿器进入燃料电池电堆的水的质量流量，单位为kg/s；k1为增湿器渗透系数，单位为kg*J/pa/mol；Pwet为湿气通道进口一侧水分压，单位为kpa；Pdry为干气通道内水分压，单位为kpa；Pdry1为干气通道进口一侧水分压，单位为kpa；Pdry2为干气通道出口一侧水分压，单位为kpa；R为气体常数；T为增湿器内温度，单位为K。
在本实施例中，步骤S3中，实验中对经过增湿器进入燃料电池电堆的水的质量流量以及各压力进行采点，并通过拟合得出相应的渗透系数值，作为评价增湿器性能的指标，也作为固定经验值。
在本实施例中，步骤S4具体体现为：
S41、针对增湿器干气通道出口处，建立经过增湿器进入燃料电池电堆的水与空气的质量流量比公式(2)：
Figure BDA0003882495010000051
式中，m2为经过增湿器进入燃料电池电堆的空气的质量流量，单位为kg/s；Mwater为水的摩尔质量，单位为g/mol；Mair为空气的摩尔质量，单位为g/mol；Pin为经过增湿器进入燃料电池电堆的压力，单位为kpa；
S42、联立上述公式(1)、公式(2)得到以下公式(3)：
Figure BDA0003882495010000052
其中，引入二次项系数a，b，c，并令
Figure BDA0003882495010000053
Figure BDA0003882495010000054
Figure BDA0003882495010000055
则
Figure BDA0003882495010000056
S43、收集经过增湿器进入燃料电池电堆的空气的质量流量、经过增湿器进入燃料电池电堆的压力、湿气通道进口一侧水分压、干气通道进口一侧水分压参数，得到干气通道出口一侧水分压数值。
本发明详细阐述了燃料电池增湿器仿真模型搭建，并且经过实验进行验证，所述增湿器仿真模型与实测结果相吻合，说明该模型可用。上述增湿器数学模型可为增湿器开发、系统测试等场景提供理论基础。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建燃料电池系统增湿器仿真模型：包括湿气通道、干气通道、以及位于两者之间的质子交换膜；
S2、根据质子交换膜内水浓度扩散原理，建立增湿器渗透系数与水流量、通道压力的关系；
S3、根据实验测试计算得到增湿器渗透系数经验值；
S4、确定增湿器渗透系数后，通过采集部分参数的方式，求解其余参数。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，其特征在于，步骤S1中，湿气通道与干气通道相互垂直分布。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，其特征在于，步骤S2中，质子交换膜内水浓度扩散公式如下：
Figure FDA0003882494000000011
式中，m1为经过增湿器进入燃料电池电堆的水的质量流量，单位为kg/s；k1为增湿器渗透系数，单位为kg*J/pa/mol；Pwet为湿气通道进口一侧水分压，单位为kpa；Pdry为干气通道内水分压，单位为kpa；Pdry1为干气通道进口一侧水分压，单位为kpa；Pdry2为干气通道出口一侧水分压，单位为kpa；R为气体常数；T为增湿器内温度，单位为K。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，其特征在于，步骤S3中，实验中对经过增湿器进入燃料电池电堆的水的质量流量以及各压力进行采点，并通过拟合得出相应的渗透系数值，作为评价增湿器性能的指标，也作为固定经验值。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统增湿器建模仿真方法，其特征在于，步骤S4具体体现为：
S41、针对增湿器干气通道出口处，建立经过增湿器进入燃料电池电堆的水与空气的质量流量比公式(2)：
Figure FDA0003882494000000021
式中，m2为经过增湿器进入燃料电池电堆的空气的质量流量，单位为kg/s；Mwater为水的摩尔质量，单位为g/mol；Mair为空气的摩尔质量，单位为g/mol；Pin为经过增湿器进入燃料电池电堆的压力，单位为kpa；
S42、联立上述公式(1)、公式(2)得到以下公式(3)：
Figure FDA0003882494000000022
其中，引入二次项系数a，b，c，并令
Figure FDA0003882494000000023
Figure FDA0003882494000000024
Figure FDA0003882494000000025
则
Figure FDA0003882494000000026
S43、收集经过增湿器进入燃料电池电堆的空气的质量流量、经过增湿器进入燃料电池电堆的压力、湿气通道进口一侧水分压、干气通道进口一侧水分压参数，得到干气通道出口一侧水分压数值。
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