CN115954509B - 一种电堆入口湿度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种电堆入口湿度的计算方法，涉及燃料电池技术领域。该电堆入口湿度的计算方法包括获取电堆各个端口的气体或液体携带的能量、电堆壳体对外界环境的散热量、电堆对外输出的电能以及参与反应的氢气释放能量；建立电堆的总能量变化量的估算模型，并依据估算模型，估算当电堆的总能量变化量为零时电堆入口的水蒸气量X；根据电堆入口的水蒸气量X计算出电堆入口的实际湿度。将电堆作为一个整体对待利用能量守恒原理建立电堆的总能量变化量的估算模型，估算出电堆的总能量变化量为零时电堆入口的水蒸气量X后，计算出电堆入口的实际湿度。简化了湿度的计算过程，能够确保得到的湿度数据的准确性。

Description

一种电堆入口湿度的计算方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种电堆入口湿度的计算方法。

背景技术

燃料电池电堆的工作环境需要对其提供合适压力和气体湿度，因此增湿器实际增湿效果对电堆的性能和寿命有较大影响，但是从增湿器进入电堆的是高温高湿的湿气环境，湿度传感器（或露点传感器）难以在此处长期可靠工作且传感器成本很高。

现有的湿度评估方法很多需要使用复杂的增湿器内在传质传热机理（包括水在增湿器内部透水材料上的冷凝、传递和蒸发过程），计算过程复杂，需要使用很多难以准确获取的增湿器内部透水材料的特性参数（该参数还会随着使用时间而变化）且精度有限，由此可知，现有技术中的湿度评估方法存在获取准确的湿度较为困难且计算过程复杂繁琐的问题。

发明内容

本发明提供了一种电堆入口湿度的计算方法，其能够简化湿度的计算过程，同时确保得到的湿度数据的准确性。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明的实施例提供了一种电堆入口湿度的计算方法，其包括：

获取电堆各个端口的气体或液体携带的能量、电堆壳体对外界环境的散热量、电堆对外输出的电能以及参与反应的氢气释放能量；

建立电堆的总能量变化量的估算模型，并依据估算模型，估算当电堆的总能量变化量为零时电堆入口的水蒸气量X；

根据电堆入口的水蒸气量X计算出电堆入口的实际湿度。

可选地，所述获取电堆各个端口的气体或液体携带的能量的步骤包括：

获取电堆的产水量；

获取电堆阴极出口的水蒸气量；

获取电堆出口的液态水量；

其中，所述电堆入口的水蒸气量X和所述电堆的产水量的总和等于所述电堆阴极出口的水蒸气量和所述电堆出口的液态水量的总和。

可选地，所述获取电堆的产水量的步骤包括：

获取电堆运行电流；

获取电堆的氢渗电流；

获取电堆单池片数；

根据法拉第常数、电堆运行电流、电堆的氢渗电流以及电堆单池片数计算得到电堆的产水量，单池是指在电堆内部完成电化学反应的基本单元。

可选地，所述获取所述电堆阴极出口的水蒸气量的步骤包括：

在所述电堆阴极出口产水量与阴极入口水蒸气量x的总水量不超过堆出温度对应的饱和蒸气压的含水量情况下，所述电堆阴极出口的水蒸气量H1等于电堆入口的水蒸气量X和电堆产水量之和；

或所述电堆阴极出口产水量与阴极入口水蒸气量x的总水量超过堆出温度对应的饱和蒸气压的含水量情况下，所述电堆阴极出口的水蒸气量H2按照堆出温度的饱和蒸气压的含水量得出。

可选地，所述获取电堆出口的液态水量的步骤包括：

所述电堆出口的液态水量等于所述电堆阴极入口的水蒸气量x与电堆产水量的总水量减去所述电堆阴极出口的水蒸气量差值。

可选地，所述获取电堆各个端口的气体或液体携带的能量的步骤还包括：

获取电堆冷却路径流经电堆的冷却液带走的热量。

可选地，所述电堆冷却路径流经电堆的冷却液带走的热量=冷却液流量×(堆出温度-堆入温度)×冷却液比热。

可选地，所述电堆发电对外输出的电能等于电堆的电压和电堆运行电流的乘积。

可选地，所述参与反应的氢气所释放的能量等于（电堆运行电流+电堆的氢渗电流）× (电堆单池片数×1.48V)。

可选地，所述电堆壳体对外界环境的散热量等于电堆平均温度和壳体周边环境温度的差值乘以壳体的换热特性。

可选地，所述电堆的阴极阳极各个气体端口的湿空气焓值的计算公式为：

H=1.013×T×Mgas+(2500+1.84×T)×Mvap+4.18×T×Mliq

式中，T—气体温度℃；Mgas —干气体的质量流量kg/s；Mvap—水蒸气的质量流量kg/s；Mliq—液态水的质量流量kg/s；1.013—干空气的定压比热kj/(kg.℃)；14.3—干氢气的定压比热kj/(kg.℃)；1.84—水蒸气的定压比热kj/(kg.℃)；2500 —0℃时水的汽化潜热kj/kg；4.18 —液态水的比热kj/(kg.℃)。

本发明实施例的电堆入口湿度的计算方法的有益效果包括，例如：

该电堆入口湿度的计算方法包括获取电堆各个端口的气体或液体携带的能量、电堆壳体对外界环境的散热量、电堆对外输出的电能以及参与反应的氢气释放能量；建立电堆的总能量变化量的估算模型，并依据估算模型，估算当电堆的总能量变化量为零时电堆入口的水蒸气量X；根据电堆入口的水蒸气量X计算出电堆入口的实际湿度。该计算方法在使用时，将电堆作为一个整体对待，利用能量守恒原理建立电堆的总能量变化量的估算模型，估算出电堆的总能量变化量为零时电堆入口的水蒸气量X后，可以计算出电堆入口的实际湿度。该计算方式不需要对增湿器进行复杂的建模计算，简化了湿度的计算过程，且获取的数据均为容易得到的运行参数信息以及传感器信息，能够确保得到的湿度数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1为本实施例提供的一种电堆入口湿度的计算方法的流程图；

图2为本实施例提供的电堆进出能量的示意图；

图3为本实施例提供的总能量变化量和电堆入口的水蒸气量X的关系示意图。

图标：1-电堆；2-阴极；3-阳极；4-冷却路径；5-冷却液；6-液态水量；7-电堆壳体对外界环境的散热量。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

燃料电池电堆的工作环境需要对其提供合适压力和气体湿度，因此增湿器实际增湿效果对电堆的性能和寿命有较大影响，但是从增湿器进入电堆的是高温高湿的湿气环境，湿度传感器（或露点传感器）难以在此处长期可靠工作且传感器成本很高。

现有的湿度评估方法很多需要使用复杂的增湿器内在传质传热机理（包括水在增湿器内部透水材料上的冷凝、传递和蒸发过程），计算过程复杂，需要使用很多难以准确获取的增湿器内部透水材料的特性参数（该参数还会随着使用时间而变化）且精度有限，由此可知，现有技术中的湿度评估方法存在获取准确的湿度较为困难且计算过程复杂繁琐的问题。

请参考图1-图3，本实施例提供了一种电堆入口湿度的计算方法，其可以有效改善上述提到的技术问题，能够简化湿度的计算过程，同时确保得到的湿度数据的准确性。

请参考图1，本实施例提供了一种电堆入口湿度的计算方法包括：

S1：获取电堆1各个端口的气体或液体携带的能量、电堆壳体对外界环境的散热量7、电堆1对外输出的电能以及参与反应的氢气释放能量；

S2：建立电堆1的总能量变化量的估算模型，并依据估算模型，估算当电堆1的总能量变化量为零时电堆1入口的水蒸气量X；

S3：根据电堆1入口的水蒸气量X计算出电堆1入口的实际湿度。

步骤S1中获取电堆1各个端口的气体或液体携带的能量包括：

S11：获取电堆1的产水量；

S12：获取电堆1阴极2出口的水蒸气量；

S13：获取电堆1出口的液态水量6；

其中，电堆1入口（包括阴极2入口与阳极3入口）的水蒸气量X和电堆1的产水量的总和等于电堆1阴极2出口的水蒸气量和电堆1出口（包括阴极2出口与阳极3出口）的液态水量6的总和。

具体地，通过电堆1阴极2入口流入电堆1的包括空气（N2+O2）和H2O（水蒸气），其中空气的量可通过进入燃料电池系统的空气流量（可以通过燃料电池系统的空气流量计或者空压机流量模型并扣除其他支路分流走的流量来获取）。

在电堆1阴极2出口流出电堆1的包括N2，O2，H2O（水蒸气）,液态水（当过饱和时）。根据物质守恒可以得到：电堆1阴极2入口的水蒸气量+电堆1阳极3入口的水蒸气量+电堆1产水量= 电堆1阴极2出口的水蒸气量+电堆1阴极2出口的液态水量6+电堆1阳极3出口的水蒸气量+电堆1阳极3出口的液态水量6。

其中：电堆1阳极3因为是循环系统，除极少数因为气体吹扫而排出系统的水蒸气外，绝大部分阳极3出口的气体（含水蒸气）都会被阳极3循环系统回流到阳极3入口，重新进入电堆1阳极3入口；即上述等式，可以进一步简化为：电堆1阴极2入口的水蒸气量X+电堆1产水量= 电堆1阴极2出口的水蒸气量+电堆1阴极2出口的液态水量6+电堆1阳极3出口的液态水量6。进一步的，将阴极2出口和阳极3出口的液态水总称为 电堆1出口的液态水量6；即上述等式，可以进一步简化为：电堆1阴极2入口的水蒸气量X+电堆1产水量= 电堆1阴极2出口的水蒸气量+电堆1出口的液态水量6。

在本实施例中，步骤S11包括：

S111：获取电堆运行电流；

S112：获取电堆的氢渗电流；

S113：获取电堆单池片数；

根据法拉第常数、电堆运行电流、电堆的氢渗电流以及电堆单池片数计算得到电堆1的产水量，单池是指在电堆内部完成电化学反应的基本单元。

需要进行说明的是，步骤S12包括：

在电堆1阴极2出口产水量与阴极2入口水蒸气量x的总水量不超过堆出温度对应的饱和蒸气压的含水量情况下，电堆1阴极2出口的水蒸气量H1等于电堆1入口的水蒸气量X和电堆1产水量之和；

或电堆1阴极2出口产水量与阴极2入口水蒸气量x的总水量超过堆出温度对应的饱和蒸气压的含水量情况下，电堆1阴极2出口的水蒸气量H2按照堆出温度的饱和蒸气压的含水量得出。

具体地，步骤S13包括：

电堆1出口的液态水量6等于电堆1阴极2入口的水蒸气量x与电堆产水量的总水量减去电堆1阴极2出口的水蒸气量差值。

具体地，阴极2出口N2的量由电堆1阴极2入口的N2量扣除从电堆1阴极2扩散到阳极3的部分得出（该部分扩散的N2量可以由电堆1的阳极3模型得出，实际运行中该部分N2占比非常低，可以忽略该部分）；阴极2出口的O2根据电堆1实际运行时的空气过量系数得出未反应完的过量部分（根据阴极2堆入O2的量扣除实际电堆1电流所消耗的O2的量）。

针对H2O水蒸气部分，如果电堆1此工况的阴极2液态产水量和阴极2堆入水蒸气量X 求和的总水量不超过堆出温度对应的饱和蒸汽压时的含水量，则堆出的H2O水蒸气量为阴极2堆入水蒸气量X与电堆1产水量的和。如果过饱和，则H2O（水蒸气）按照堆出温度的饱和蒸汽压的含水量得出（当过饱和时）；堆出液态水的量（包括阴极2堆出和阳极3堆出，当过饱和时）由阴极2堆入的水蒸气量X+电堆1产水量-阴极2堆出的饱和水蒸气量得出。

可以理解地，上述电堆1产水量可以根据（电堆运行电流+电堆的氢渗电流）和电堆单池片数，并根据法拉第常数计算得出。其中电堆的氢渗电流相对于常规运行的电堆运行电流占比极小，计算时电堆的氢渗电流也可以忽略。

更多地，步骤S1中获取电堆1各个端口的气体或液体携带的能量还包括：

获取电堆1冷却路径4流经电堆1的冷却液5带走的热量。

在本实施例中，电堆1冷却路径4流经电堆1的冷却液5带走的热量=冷却液5流量×(堆出温度-堆入温度)×冷却液5比热。

具体地，步骤S1中电堆1发电对外输出的电能等于电堆1的电压和电堆1电流的乘积。

具体地，步骤S1中参与反应的氢气所释放的能量等于（电堆运行电流+电堆的氢渗电流）× (电堆单池片数×1.48V)。

具体地，电堆壳体对外界环境的散热量7等于电堆1平均温度和壳体周边环境温度的差值乘以壳体的换热特性。

还需要进行说明的是，电堆1的阴极2阳极3各个气体端口的湿空气焓值的计算公式为：

H=1.013×T×Mgas+(2500+1.84×T)×Mvap+4.18×T×Mliq

式中，T—气体温度℃；Mgas —干气体的质量流量kg/s；Mvap—水蒸气的质量流量kg/s；Mliq—液态水的质量流量kg/s；1.013—干空气的定压比热kj/(kg.℃)，精确的也可以用温度T的函数来表达；14.3—干氢气的定压比热kj/(kg.℃)，精确的也可以用温度T的函数来表达；1.84—水蒸气的定压比热kj/(kg.℃)，精确的也可以用温度T的函数来表达；2500 —0℃时水的汽化潜热kj/kg，精确的也可以用温度T的函数来表达；4.18 —液态水的比热kj/(kg.℃)，精确的也可以用温度T的函数来表达。

需要进行说明的是，阳极3堆出的气体部分带走的焓值，绝大部分通过阳极3循环系统重新进入阳极3堆入，这部分焓互相抵消，不需要计入；阳极3堆出当有液态水时，这部分阳极3堆出液态水的焓合并计入堆出液态水的焓。

步骤S2中建立电堆1的总能量变化量的估算模型是指根据能量守恒，电堆1稳态时可以得到单位时间内进入电堆1的能量等于离开电堆1的能量。其中，由于在燃料电池系统中，流体流动的动能变化量的数量级远低于上述其他能量变化部分，因此在上述能量守恒模型中其影响可以忽略，将其忽略后，电堆1的动能变化包括：

进入电堆1的能量= H阴极2堆入+H阳极3堆入+参与反应的氢气所释放的能量；

离开电堆1的能量= H阴极2堆出+H阳极3堆出+电堆1壳体对外界的散热量+电堆1冷却液5带走的热量+电堆1发电对外输出的电能。

由上述可知：

电堆1的总能量变化量dE=进入电堆1的能量-离开电堆1的能量。

其中，分别设置电堆1阴极2入口的水蒸气量X从0kg/s开始，按照步长逐渐进行增加；按照上述步骤，计算出电堆1的总能量变化量dE，并进行循环计算，得出多个总能量变化量dE。通过循环计算，求出dE 为零的工况（或最接近零的），此工况所对应的X即为电堆1入口的水蒸气量。利用求得的电堆1阴极2入口的水蒸气量X，进一步利用上述计算过程，可以得出电堆1阴极2入口的实际湿度等参数。

本实施例提供的一种电堆入口湿度的计算方法至少具有以下优点：

本发明通过使用燃料电池系统容易获取的传感器信息和运行参数信息（不需要在电堆1阴极2入口安装昂贵易损的湿度或露点传感器），利用本发明的湿度计算方法，可以获取较为准确的实际堆入湿度。有了堆入湿度信息，当实际堆入湿度过低时（比如：增湿器性能劣化、操作条件温度过高等），可以及时识别到堆入湿度的不足，进而及时调整操作条件，重新使该处的湿度调整到合适的范围内，保护电堆1的可靠运行。当湿度下降达到一定程度后，能够及时识别到相关故障，及时提醒维保人员检查维修，避免故障进一步扩大而带来的更大损失。

综上，本发明实施例提供了一种电堆入口湿度的计算方法，该电堆入口湿度的计算方法包括获取电堆1各个端口的气体或液体携带的能量、电堆壳体对外界环境的散热量7、电堆1对外输出的电能以及参与反应的氢气释放能量；建立电堆1的总能量变化量的估算模型，并依据估算模型，估算当电堆1的总能量变化量为零时电堆1入口的水蒸气量X；根据电堆1入口的水蒸气量X计算出电堆1入口的实际湿度。该计算方法在使用时，将电堆1作为一个整体对待，利用能量守恒原理建立电堆1的总能量变化量的估算模型，估算出电堆1的总能量变化量为零时电堆1入口的水蒸气量X后，可以计算出电堆1入口的实际湿度。该计算方式不需要对增湿器进行复杂的建模计算，简化了湿度的计算过程，且获取的数据均为容易得到的运行参数信息以及传感器信息，能够确保得到的湿度数据的准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，包括：

获取电堆（1）各个端口的气体或液体携带的能量、电堆壳体对外界环境的散热量（7）、电堆（1）对外输出的电能以及参与反应的氢气释放能量；

建立电堆（1）的总能量变化量的估算模型，并依据估算模型，估算当电堆（1）的总能量变化量为零时电堆（1）入口的水蒸气量X；

根据电堆（1）入口的水蒸气量X计算出电堆（1）入口的实际湿度；

所述获取电堆（1）各个端口的气体或液体携带的能量的步骤包括：

获取电堆（1）的产水量；

获取电堆（1）阴极（2）出口的水蒸气量；

获取电堆（1）出口的液态水量（6）；

其中，所述电堆（1）入口的水蒸气量X和所述电堆（1）的产水量的总和等于所述电堆（1）阴极（2）出口的水蒸气量和所述电堆（1）出口的液态水量（6）的总和。

2.根据权利要求1所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述获取电堆（1）的产水量的步骤包括：

获取电堆运行电流；

获取电堆的氢渗电流；

获取电堆单池片数；

根据法拉第常数、电堆运行电流、电堆的氢渗电流以及电堆单池片数计算得到电堆（1）的产水量，单池是指在电堆内部完成电化学反应的基本单元。

3.根据权利要求1所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述获取所述电堆（1）阴极（2）出口的水蒸气量的步骤包括：

在所述电堆（1）阴极（2）出口产水量与阴极（2）入口水蒸气量x的总水量不超过堆出温度对应的饱和蒸气压的含水量情况下，所述电堆（1）阴极（2）出口的水蒸气量H1等于电堆（1）入口的水蒸气量X和电堆（1）产水量之和；

或所述电堆（1）阴极（2）出口产水量与阴极（2）入口水蒸气量x的总水量超过堆出温度对应的饱和蒸气压的含水量情况下，所述电堆（1）阴极（2）出口的水蒸气量H2按照堆出温度的饱和蒸气压的含水量得出。

4.根据权利要求3所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述获取电堆（1）出口的液态水量（6）的步骤包括：

所述电堆（1）出口的液态水量（6）等于所述电堆（1）阴极（2）入口的水蒸气量x与电堆产水量的总水量减去所述电堆（1）阴极（2）出口的水蒸气量差值。

5.根据权利要求1所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述获取电堆（1）各个端口的气体或液体携带的能量的步骤还包括：

获取电堆（1）冷却路径（4）流经电堆（1）的冷却液（5）带走的热量。

6.根据权利要求5所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述电堆（1）冷却路径（4）流经电堆（1）的冷却液（5）带走的热量=冷却液（5）流量×(堆出温度-堆入温度)×冷却液（5）比热。

7.根据权利要求2所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述电堆（1）发电对外输出的电能等于电堆（1）的电压和电堆运行电流的乘积。

8. 根据权利要求2所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述参与反应的氢气所释放的能量等于（电堆运行电流+电堆的氢渗电流）× (电堆单池片数×1.48V)。

9.根据权利要求1所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述电堆壳体对外界环境的散热量（7）等于电堆（1）平均温度和壳体周边环境温度的差值乘以壳体的换热特性。

10. 根据权利要求1所述的电堆入口湿度的计算方法，其特征在于，所述电堆（1）的阴极（2）阳极（3）各个气体端口的湿空气焓值的计算公式为：

H=1.013×T×Mgas+(2500+1.84×T)×Mvap+4.18×T×Mliq

式中，T—气体温度℃；Mgas —干气体的质量流量kg/s；Mvap—水蒸气的质量流量kg/s；Mliq—液态水的质量流量kg/s；1.013—干空气的定压比热kj/(kg.℃)；14.3—干氢气的定压比热kj/(kg.℃)；1.84—水蒸气的定压比热kj/(kg.℃)；2500 —0℃时水的汽化潜热kj/kg；4.18 —液态水的比热kj/(kg.℃)。

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