CN117117255B - 增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备，属于燃料电池技术领域，所述方法包括：确定目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度，进而确定所述增湿器的实际隔膜性能参数。本发明的增湿器隔膜性能参数确定方法，通过对稳态工况下的高频阻抗值进行监控分析，可以得到目标时段内准确的标准质子交换膜湿度，进而再根据电堆的水平衡原理、电堆质子交换膜湿度与气体湿度的关联关系，推演出准确的目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度，进而结合增湿器的工作模式反演得到准确的增湿器的实际隔膜性能参数，从而实现对劣化的增湿器的隔膜性能参数的校正，从而提高了对进入电堆气体湿度监控的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备。
背景技术
氢氧燃料电池是一种将氢气和氧气反应产生电能的装置。它属于电化学能转化技术的一种，可以利用氢气和氧气的化学反应来产生电能，并且产生水。
在氢氧燃料电池系统中，为保持质子交换膜的正常工作状态，可以设置增湿器。氢氧燃料电池中的质子交换膜需要保持一定的湿度水平才能正常工作。例如，若质子交换膜变得过干，其离子传导性能将受到影响，从而降低燃料电池的效率。
由于电堆入口的环境复杂，在没有实际安装增湿器出口湿度传感器的情况下，难以直接测得进入电堆阴极的气体湿度。相关技术中，可以通过对增湿器的工作模式进行模拟，根据增湿器隔膜材料的性能参数以及相关气体参数，计算得到增湿器的出口的气体湿度，从而确定进入电堆阴极的气体湿度。
但是，随着燃料电池系统运行时间的增加，增湿器内部的隔膜的膜管材料的增湿性能会发生劣化，进而导致增湿器隔膜性能参数会发生变化，而计算进入电堆阴极的气体湿度时使用的还是增湿器隔膜初始的性能参数，计算结果不够准确，进而影响对电堆的监控。
发明内容
本发明提供一种增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备，用以解决现有技术中增湿器隔膜性能参数变化后相关参数的计算不够准确的缺陷，实现得到准确的实际增湿器隔膜性能参数的效果。
本发明提供一种增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备，包括：
确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；
基于所述目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定所述目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，所述目标湿度表是通过对所述电堆在大于所述目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；
确定所述电堆在所述目标时段内的各阴极入口参考湿度；
基于各阴极入口参考湿度以及所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；
基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；
在所述参考质子交换膜湿度与所述标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将所述参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；
基于所述目标阴极入口湿度以及所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的实际隔膜性能参数。
根据本发明提供的一种增湿器隔膜性能参数确定方法，所述基于各阴极入口参考湿度以及所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度，包括：
基于各阴极入口参考湿度，得到所述电堆阴极入口的含水量；
根据所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，基于所述电堆阴极入口的含水量、所述电堆在所述目标时段内的产水量以及所述电堆在所述目标时段内阳极出口的排水量，确定所述电堆阴极出口的含水量；
基于所述电堆阴极出口的含水量，确定各阴极出口参考湿度。
根据本发明提供的一种增湿器隔膜性能参数确定方法，所述基于所述目标阴极入口湿度以及所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的实际隔膜性能参数，包括：
基于所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的湿侧入口的第一水蒸气分压；基于所述目标阴极入口湿度，确定所述增湿器的干侧出口的第三水蒸气分压；
基于所述增湿器干侧入口的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述增湿器干侧入口的第二水蒸气分压以及所述第三水蒸气分压，确定所述实际隔膜性能参数。
根据本发明提供的一种增湿器隔膜性能参数确定方法，所述基于所述增湿器干侧的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述增湿器干侧入口的第二水蒸气分压以及所述第三水蒸气分压，确定所述实际隔膜性能参数，包括：
基于所述增湿器干侧的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述第二水蒸气分压以及所述第三水蒸气分压，确定所述增湿器的加湿量；
基于所述增湿器的加湿量，确定所述实际隔膜性能参数。
根据本发明提供的一种增湿器隔膜性能参数确定方法，所述增湿器干侧的总气压、所述增湿器干侧的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述第二水蒸气分压、所述第三水蒸气分压以及所述实际隔膜性能参数满足以下关系：
A（P1-P3）=Q（P3-P2）/P总；
其中，A为所述实际隔膜性能参数，A用于表示在单位气压差以及单位时间下，气体在已知面积与厚度的增湿器隔膜下的扩散速率，扩散速率用于表示单位时间扩散的气体物质量；P1为所述第一水蒸气分压，P2为所述第二水蒸气分压，P3为所述第三水蒸气分压，Q为所述增湿器干侧的气体流量，Q用于表示单位时间下增湿器干侧流过的气体物质量，P总为所述增湿器干侧的总气压。
根据本发明提供的一种增湿器隔膜性能参数确定方法，所述实际隔膜性能参数与所述隔膜的扩散速率、所述隔膜的面积以及所述隔膜的厚度满足以下关系：
A=DS/dx；
其中，A为所述实际隔膜性能参数，D用于表示在单位气压差、单位面积、单位厚度以及单位时间下气体在增湿器隔膜的扩散速率；S为所述隔膜的面积，dx为所述隔膜的厚度。
根据本发明提供的一种增湿器隔膜性能参数确定方法，所述确定所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值，包括：
在所述电堆处于运行工况的情况下，对所述电堆的高频阻抗值进行监测与记录，得到所述高频阻抗值的数据表；
对所述高频阻抗值的数据表进行分析，并在所述高频阻抗值不满足目标预设条件的情况下调整所述电堆的目标工况参数，使得所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值。
本发明还提供一种增湿器隔膜性能参数确定装置，包括：
第一处理模块，用于确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；
第二处理模块，用于基于所述目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定所述目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，所述目标湿度表是通过对所述电堆在大于所述目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；
第三处理模块，用于确定所述电堆在所述目标时段内的各阴极入口参考湿度；
第四处理模块，用于基于各阴极入口参考湿度以及所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；
第五处理模块，用于基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；
第六处理模块，用于在所述参考质子交换膜湿度与所述标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将所述参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；
第七处理模块，用于基于所述目标阴极入口湿度以及所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的实际隔膜性能参数。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述增湿器隔膜性能参数确定方法。
本发明还提供一种燃料电池，包括电堆、增湿器以及如上述任一种所述电子设备。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述增湿器隔膜性能参数确定方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述增湿器隔膜性能参数确定方法。
本发明提供的增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备，通过对稳态工况下的高频阻抗值进行监控分析，可以得到目标时段内准确的标准质子交换膜湿度，进而再根据电堆的水平衡原理、电堆质子交换膜湿度与气体湿度的关联关系，推演出准确的目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度，进而结合增湿器的工作模式反演得到准确的增湿器的实际隔膜性能参数，从而实现对劣化的增湿器的隔膜性能参数的校正，从而提高了对进入电堆气体湿度监控的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的增湿器隔膜性能参数确定方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的增湿器隔膜性能参数确定方法的流程示意图之二；
图3是本发明提供的增湿器隔膜性能参数确定装置的结构示意图；
图4是本发明提供的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，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。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。
下面结合图1-图4描述本发明的增湿器隔膜性能参数确定方法、装置及电子设备。
在对本发明实施例的增湿器隔膜性能参数确定方法进行说明之前，先对本发明实施例中燃料电池的增湿器进行说明。
可以理解的是，燃料电池中的质子交换膜是燃料电池核心的关键组件之一。它通常由固态聚合物电解质构成，如聚四氟乙烯改性的聚合物膜。质子交换膜在燃料电池中起到隔离电子和离子的作用，使质子（氢离子）能够通过而阻止电子的流动，但质子交换膜需要一定的湿度才能正常工作。
质子交换膜通过质子传导来实现燃料电池的工作。水分在质子交换膜中形成质子（H+）和氢氧根离子（OH-），质子通过膜而氢氧根离子则通过电子回路。保持质子交换膜湿润的环境有助于提高质子的传导性能，保证正常的离子传输。
可以理解的是，质子交换膜需要保持一定的水合状态才能保持其离子传导性能。水分可以促进质子交换膜中的质子吸附和解吸附，保持膜的活性。过低的湿度会导致质子交换膜变干，降低质子传导性能，从而影响燃料电池的输出性能。
质子交换膜的温度对其质子交换膜的传导性能有很大影响。湿润的环境有助于保持质子交换膜的适宜温度，防止膜干燥和过热。
但是，进入燃料电池内部进行反应的空气的湿度可能较低，为确保质子交换膜的正常工作，维持燃料电池系统的性能和效率，往往需要设置增湿器来对空气进行润湿。
增湿器主要应用于燃料电池中，用于控制和调节燃料电池中的水分。不同输出功率的燃料电池在进行反应时，质子交换膜上所需的水分量也不同，只有保持质子交换膜上具有适宜的含水量才能保证燃料电池的正常运行。增湿器可以为进入燃料电池电堆的气体进行增湿，进而是的燃料电池内部保持适宜的水分。
燃料电池的增湿器内部设置有隔膜，隔膜可以将增湿器的两侧分别隔离成干侧和湿侧两部分。增湿器增湿器的湿侧包括湿侧入口和湿侧出口，其中的湿侧入口与电堆排水口连接。类似地，增湿器的干侧包括干侧出口以及干侧入口。
可以理解的是，增湿器的干侧入口可以是与大气环境连通，或者通过气体增压装置来鼓入大气环境中的空气。增湿器的干侧出口与电堆的空气入口即阴极的入口连通。为了保持电堆质子交换膜一定的含水量，进入电堆阴极入口的气体需要具有一定的湿度，在设置有增湿器的情况下，进入阴极的水蒸气一部分来自于从增湿器的湿侧扩散到干侧的水蒸气，而另外一部分则来自于从大气环境中进入的空气本身所含有的水蒸气。
由于增湿器的作用，从增湿器干侧的出口流出的空气相较于增湿器干侧入口的空气具有较高的湿度，较高湿度的空气进而进入电堆的阴极。电堆在工作时产生的水蒸气可以经增湿器湿侧入口进入到增湿器中。其中，进入湿侧的一部分水蒸气可以经增湿器的湿侧出口排出增湿器，而另一部分水蒸气也可以经隔膜扩散到增湿器的干侧，进而继续润湿干侧的空气。
下面对本发明实施例的增湿器隔膜性能参数确定方法进行说明，本发明实施例的增湿器隔膜性能参数确定方法的执行主体可以是处理器或者服务器，例如，可以是燃料电池车辆的车载控制器，此处对执行主体不作限制。
如图1所示，本发明实施例的增湿器隔膜性能参数确定方法主要包括步骤110、步骤120、步骤130、步骤140、步骤150、步骤160以及步骤170。
步骤110，确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值。
需要说明的是，可以对目标时段内电堆的输出电流或者输出功率等进行监控，在输出电流或者输出功率达到稳定状态时，进而确定电堆在目标时段内处于稳态工况。
在本实施方式中，目标时段可以是一个较短的稳态工况下的时段，电堆的反应以及电堆的工况参数可以保持稳定。
例如，燃料电池的电堆在连接到负载时，当负载的功率需求保持稳定时，电堆可以达到稳态工况。在这种情况下，氢气供应、氧气供应与负载的电能需求保持平衡，即进入电堆阴极的气体湿度以及阴极排出的气体的湿度可以视为稳定值，电堆的输出电压和电流也保持稳定。
需要说明的是，电堆的高频阻抗值较大时，电堆的质子交换膜的湿度与电堆的高频阻抗值存在明显的相关性，即一个高频阻抗值对应一个质子交换膜湿度。
因此，可以确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值，即确定电堆的高频阻抗值为一个较大的值，进而可以便于确定出电堆此时的质子交换膜湿度。
在一些实施例中，如图2所示，确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值，可以具体包括步骤111和步骤112。
步骤111，在电堆处于运行工况的情况下，对电堆的高频阻抗值进行监测与记录，得到高频阻抗值的数据表。
可以理解的是，可以在电堆处于运行工况的情况下，对电堆的高频阻抗值以及其他参数如输出电流等参数进行监测与记录，得到高频阻抗值的数据表。
高频阻抗值的数据表可以是时间序列数据结构，其记录着不同时刻下电堆的高频阻抗值。
步骤112，对高频阻抗值的数据表进行分析，并在高频阻抗值不满足目标预设条件的情况下调整电堆的目标工况参数，使得电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值。
在得到高频阻抗值之后，可以对高频阻抗值进行分析，并确定高频阻抗值均大于目标阻抗阈值的目标时段。
可以不断对高频阻抗值的大小进行判断，目标预设条件可以是在监测第一时长的高频阻抗值后，存在目标时段内的高频阻抗值均大于目标阻抗阈值。
或者，目标预设条件还可以是在监测第一时长的高频阻抗值后，高频阻抗值的平均上升速率大于预设速度阈值。换言之，高频阻抗值难以在一定时间内大于目标阻抗阈值。
在此种情况下，可以调整电堆的目标工况参数，使得电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值。
目标工况参数可以包括输出功率、空气流量、空气压力以及电堆内部的温度等参数。
为使得电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值，可以采取适当减小输出功率、增加空气流量、降低空气压力或者增加电堆内部的温度等操作，进而再等待电堆在当前较高的高频阻抗值下进入稳态工况进行工作。
在此种情况下，可以通过调整电堆的目标工况参数，使得电堆运行至高频阻抗值较大的环境下，进而便于得到质子交换膜的湿度。
步骤120，基于目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度。
需要说明的是，目标湿度表是通过对电堆在大于目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的。
可以在实验条件下，对相同的电堆在较高的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定，进而得到电堆的质子交换膜在不同高频阻抗值下对应的标准质子交换膜湿度，进而得到目标湿度表。
在确定出目标时段内的高频阻抗值后，可以参照目标湿度表得出高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度。
步骤130，确定电堆在目标时段内的各阴极入口参考湿度。
需要说明的是，阴极入口参考湿度可以是一个假设值。在本实施方式中，可以按照由小到大的顺序依次对阴极入口参考湿度进行取值，进而得到多个阴极入口参考湿度的取值。
步骤140，基于各阴极入口参考湿度以及电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度。
在燃料电池的电堆中，稳态工况下的水平衡模型是用于描述质子交换膜中水的生成、传输和消耗的过程的水质量守恒模型，以维持质子交换膜合适的湿度水平。这样可以维持质子传导的效率，并提供合适的湿度条件，以确保燃料电池系统的稳定运行和性能。
可以理解的是，水蒸气通过电堆阴极入口进入电堆，因此电堆阴极入口的含水量和电堆反应生成的水是整个燃料电池中的水来源量，根据质量守恒定律，电堆质子交换膜中反应所生成的水量、通过阴极进入电堆的水量以及电堆排出去的水量符合质量守恒定律，因而可以得到水平衡模型为：电堆阴极入口的含水量与电堆质子交换膜发电产水量之和等于电堆阳极出口的排水量以及电堆阴极出口的含水量之和。
在一些实施例中，基于各阴极入口参考湿度以及电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度，包括以下过程。
可以先基于各阴极入口参考湿度，得到电堆阴极入口的含水量。
在此种情况下，可以先确定目标时段内通过的气体的流量，电堆阴极入口的气体流量可以通过增湿器干侧入口的气体流量计或其他测量设备来获取。
在目标时段内，进入电堆阴极入口的气体的温度和压力可以视为恒定，进而直接根据气体的流量以及湿度得到目标时段内电堆阴极入口的含水量。
在此种情况下，可以进一步根据电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，基于电堆阴极入口的含水量、电堆在目标时段内的产水量以及电堆在目标时段内阳极出口的排水量，确定电堆阴极出口的含水量。
电堆在目标时段内的产水量可以根据电堆中单体电池的数量以及电堆的输出电流等参数来计算得到。
需要说明的是，当阴极出口的水蒸气的状态为过饱和时，电堆的阴极和电堆的阳极都会直接排出液态的水。可以对排出的液态水进行计量，例如，从电堆的阳极出口排出的液态水可以通过在阳极对应的排水管道出口设置计量容器来进行收集，进而可以统计得到阳极出口的排水量。而当电堆的阴极出口只排出水蒸气时，则电堆的阳极出口的排水量可以忽略不计，电堆中的水分基本都通过阴极的出口以水蒸气的形式排出并进入增湿器的湿侧。
在实验环境下，针对特定型号的电堆，可以通过对不同目标功率值下阴极出口的排水量、阳极出口的排水量进行统计，进而可以标定得到阳极出口排出的液态水量在阴阳极排出的总液态水量中的比例，从而根据标定得到的比例以及此时阳极出口的排水量来反推得到阴极出口的排水量。
在此种情况下，电堆阴极出口的含水量可以根据实际情况来进行计算。当阳极出口实际未排出液态水时，电堆阳极出口的排水量为零，则说明电堆阴极出口的水蒸气处于不饱和的状态，电堆阴极出口的排水量均通过不饱和水蒸汽的形式进入增湿器，进而可以根据水蒸气湿度来得到阴极的排水量。
换言之，在电堆阴极出口的排水量均通过阴极排出的不饱和水蒸汽的形式进入增湿器的情况下，可以根据水平衡模型、电堆阴极入口的含水量和电堆反应生成的水得到电堆阴极出口的排水量。
在一些实施例中，还可以通过流量计获取电堆阴极出口排出的水蒸气的体积，并通过压力传感器获取阴极出口排出的气体压力，并根据水蒸气的体积以及水蒸气的含水量，来得到水蒸气的气体分压与阴极出口排出气体压力的比值，进而再根据当前温度下饱和水蒸气压力与水蒸气的分压之间的关系，得到阴极出口排出的气体的相对湿度，从而实现对电堆阴极出口的目标湿度值的确定。
当阳极出口可以排出液态水时，则说明电堆阴极出口排出的气体为饱和水蒸气，其相对湿度为100%，进而再结合阴极出口排出的液态水量，将电堆阴极出口的排水量转换成一个理论湿度值，进而可以确定电堆阴极出口的目标湿度值。可以理解的是，由于电堆阴极出口的气体已经是饱和水蒸气，则此时计算得到的目标湿度值是一种个用于计算的理论值，即可以为一个大于100%的值，目标湿度值用于与阴极出口参考湿度值进行对比。
可以理解的是，当阳极出口可以排出液态水时，电堆阳极出口的排水量可以通过阳极对应的排水管道收集得到的液态水的体积来确定，电堆阴极出口的排水量则可以根据上述阳极出口的排水量在阴阳极总液态水排水量中的比例得到。
在此基础上，可以基于电堆阴极出口的含水量，结合电堆阴极出口的气体流量，确定各阴极入口参考湿度所对应的各阴极出口参考湿度。
电堆阴极出口的气体流量可以通过安装于增湿器湿侧入口气体流量传感器来获取，或者还可以通过进入电堆阴极的气体的流量来进行标定得到，此处不作限制。
在本实施方式中，可以根据目标时段内电堆的水平衡模型来得到阴极出口参考湿度，以便于确定质子交换膜的湿度。
步骤150，基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度。
可以理解的是，在电堆处于稳态工况的情况下，电堆的质子交换膜的湿度受其他因素影响较小，而与阴极入口湿度以及阴极出口湿度关联较大。在此种情况下，阴极入口湿度与质子交换膜之间的湿度梯度越大，则质子交换膜的湿度变化也越大。
可以在实验场景下，针对当前的稳态工况对质子交换膜的湿度在不同的阴极入口湿度以及阴极出口湿度下进行测量标定，进而可以根据阴极入口湿度、阴极出口湿度与质子交换膜之间的湿度关系，得到当前阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度环境下对应的参考质子交换膜湿度。
步骤160，在参考质子交换膜湿度与标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度。
可以理解的是，通过迭代计算得到各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，进而可以得到各个参考质子交换膜湿度。
在此种情况下，将得到的各参考质子交换膜湿度与通过检测高频阻抗值得到的标准质子交换膜湿度进行对比。在参考质子交换膜湿度与标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，可以认为当前得到的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度是准确的，是电堆实际工作环境下的真实参数。
在此基础上，将当前确定准确的参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度。
步骤170，基于目标阴极入口湿度以及目标阴极出口湿度，确定增湿器的实际隔膜性能参数。
可以理解的是，可以将目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度作为准确的电堆参数来应用于增湿器工作的相关分析，进而根据增湿器的工作原理反演得到增湿器的实际隔膜性能参数。
在一些实施例中，基于目标阴极入口湿度以及目标阴极出口湿度，确定增湿器的实际隔膜性能参数，包括以下过程。
可以先基于目标阴极出口湿度，确定增湿器的湿侧入口的第一水蒸气分压；基于目标阴极入口湿度，确定增湿器的干侧出口的第三水蒸气分压。
根据气体湿度确定气体中的水蒸气分压可以使用饱和水蒸气压公式来进行计算，并使用气象观测数据或安装于特定位置处的温度传感器提供的温度等信息来估算水蒸气分压。
可以理解的是，气体相对湿度可以通过水蒸气分压与气体在当前温度下的饱和水蒸气压的比值来求得，进而可以通过查找阴极出口以及阴极入口在当前温度下的饱和水蒸气压，并结合当前的气体相对湿度，分别得到对应的第一水蒸气分压和第三水蒸气分压。
在本实施方式中，增湿器干侧入口通入的气体源自于大气环境， 因此，增湿器干侧入口通入的气体中水蒸气的含量与大气环境相当，可以根据大气环境中水蒸气含量与增湿器干侧入口的总气压，确定干侧入口的第二水蒸气分压。增湿器干侧入口的总气压可以根据入口处的压力传感器检测得到。
需要说明的是，增湿器的干侧入口可以直接与大气环境相连通，此时干侧入口的总气压为大气气压。当然，在一些实施例中，增湿器的干侧入口还设置有增压设备以增加燃料电池的进气量。则在此种情况下，增湿器干侧入口的总气压为增压设备加压后的气压。
可以根据相对湿度传感器获取增湿器干侧入口气体的相对湿度，并通过温度传感器获取增湿器干侧入口气体的温度，通过查找饱和水蒸气压力表得到当前温度下的饱和水蒸气压力，并结合增湿器干侧入口气体的相对湿度，得到第二水蒸气分压。
换言之，可以基于增湿器干侧的气体流量、第一水蒸气分压、增湿器干侧的第二水蒸气分压以及第三水蒸气分压，可以确定实际隔膜性能参数，具体可以包括以下过程。
可以先基于增湿器干侧的气体流量、第一水蒸气分压、第二水蒸气分压以及第三水蒸气分压，确定增湿器的加湿量。
在一些实施例中，增湿器的加湿量可以根据增湿器湿侧入口气体的含水量、增湿器干侧入口气体的含水量、增湿器干侧出口气体的含水量以及增湿器的加湿特性来确定。具体地，增湿器湿侧入口气体的含水量可以根据第一水蒸气分压得到，增湿器干侧入口气体的含水量可以根据增湿器干侧的气体流量和第二水蒸气分压来得到，增湿器干侧出口气体的含水量可以根据增湿器干侧的气体流量以及第三水蒸气分压来得到，增湿器的加湿特性可以根据基准状态增湿器的特性函数以及相比于基准增湿器的膜吸水性能的劣化系数来得到。
在此基础上，基于增湿器的加湿量，可以进一步确定实际隔膜性能参数。
在另一些实施例中，增湿器干侧的总气压、增湿器干侧的气体流量、第一水蒸气分压、第二水蒸气分压、第三水蒸气分压以及实际隔膜性能参数满足以下关系：
A（P1-P3）=Q（P3-P2）/P总；
其中，A为实际隔膜性能参数，A用于表示在单位气压差以及单位时间下，气体在已知面积与厚度的增湿器隔膜下的扩散速率，扩散速率用于表示单位时间扩散的气体物质量；P1为第一水蒸气分压，P2为第二水蒸气分压，P3为第三水蒸气分压，Q为增湿器干侧的气体流量，Q用于表示单位时间下增湿器干侧流过的气体物质量，P总为增湿器干侧的总气压。
需要说明的是，P1、P2、P3以及P总的单位可以是Pa，Q的单位可以是mol/s，A的单位可以是mol/（Pa·s）。
可以理解的是，通过上述方式可以模拟得到增湿器隔膜的实际隔膜性能参数，进而便于纠正增湿器的隔膜性能参数，进而可以为进入电堆阴极的气体提供更为准确的温度监控。
在一些实施例中，实际隔膜性能参数与隔膜的扩散速率、隔膜的面积以及隔膜的厚度满足以下关系：
A=DS/dx；
其中，A为实际隔膜性能参数，D用于表示在单位气压差、单位面积、单位厚度以及单位时间下气体在增湿器隔膜的扩散速率；S为隔膜的面积，dx为隔膜的厚度。
在上述公式中，A的单位可以是mol/（Pa·s），D的单位可以是mol/（Pa·s·m），S的单位可以为m2，dx的单位可以为m。
需要说明的是，实际隔膜性能参数与隔膜的材料有关，进而会影响隔膜的扩散速率，且隔膜的面积和厚度也会影响水分的扩散，进而影响隔膜的性能。
可以理解的是，隔膜不同位置的扩散速率存在一定的差异，其扩散特性曲线具体表现为隔膜中心位置的扩散速率最大，沿远离中心位置的方向逐渐减小。
而本实施例为了简化运算过程，隔膜的扩散速率可以是隔膜中特定位置的扩散速率，或者隔膜多个位置的平均扩散速率。
根据本发明实施例提供的增湿器隔膜性能参数确定方法，通过对稳态工况下的高频阻抗值进行监控分析，可以得到目标时段内准确的标准质子交换膜湿度，进而再根据电堆的水平衡原理、电堆质子交换膜湿度与气体湿度的关联关系，推演出准确的目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度，进而结合增湿器的工作模式反演得到准确的增湿器的实际隔膜性能参数，从而实现对劣化的增湿器的隔膜性能参数的校正，从而提高了对进入电堆气体湿度监控的准确性。
下面对本发明提供的增湿器隔膜性能参数确定装置进行描述，下文描述的增湿器隔膜性能参数确定装置与上文描述的增湿器隔膜性能参数确定方法可相互对应参照。
如图3所示，本发明实施例的增湿器隔膜性能参数确定装置主要包括第一处理模块310、第二处理模块320、第三处理模块330、第四处理模块340、第五处理模块350、第六处理模块360和第七处理模块370。
第一处理模块310用于确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；
第二处理模块320用于基于目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，目标湿度表是通过对电堆在大于目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；
第三处理模块330用于确定电堆在目标时段内的各阴极入口参考湿度；
第四处理模块340用于基于各阴极入口参考湿度以及电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；
第五处理模块350用于基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；
第六处理模块360用于在参考质子交换膜湿度与标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；
第七处理模块370，用于基于目标阴极入口湿度以及目标阴极出口湿度，确定增湿器的实际隔膜性能参数。
根据本发明实施例提供的增湿器隔膜性能参数确定装置，通过对稳态工况下的高频阻抗值进行监控分析，可以得到目标时段内准确的标准质子交换膜湿度，进而再根据电堆的水平衡原理、电堆质子交换膜湿度与气体湿度的关联关系，推演出准确的目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度，进而结合增湿器的工作模式反演得到准确的增湿器的实际隔膜性能参数，从而实现对劣化的增湿器的隔膜性能参数的校正，从而提高了对进入电堆气体湿度监控的准确性。
图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器（processor）410、通信接口（Communications Interface）420、存储器（memory）430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行增湿器隔膜性能参数确定方法，该方法包括：确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；基于目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，目标湿度表是通过对电堆在大于目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；确定电堆在目标时段内的各阴极入口参考湿度；基于各阴极入口参考湿度以及电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；在参考质子交换膜湿度与标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；基于目标阴极入口湿度以及目标阴极出口湿度，确定增湿器的实际隔膜性能参数。
此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种燃料电池，燃料电池包括电堆、增湿器以及如上述的电子设备。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的增湿器隔膜性能参数确定方法，该方法包括：确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；基于目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，目标湿度表是通过对电堆在大于目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；确定电堆在目标时段内的各阴极入口参考湿度；基于各阴极入口参考湿度以及电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；在参考质子交换膜湿度与标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；基于目标阴极入口湿度以及目标阴极出口湿度，确定增湿器的实际隔膜性能参数。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的增湿器隔膜性能参数确定方法，该方法包括：确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；基于目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，目标湿度表是通过对电堆在大于目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；确定电堆在目标时段内的各阴极入口参考湿度；基于各阴极入口参考湿度以及电堆在目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；在参考质子交换膜湿度与标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；基于目标阴极入口湿度以及目标阴极出口湿度，确定增湿器的实际隔膜性能参数。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上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的精神和范围。
Claims (10)
1.一种增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，包括：
确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；
基于所述目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定所述目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，所述目标湿度表是通过对所述电堆在大于所述目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；
确定所述电堆在所述目标时段内的各阴极入口参考湿度；
基于各阴极入口参考湿度以及所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；
基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；
在所述参考质子交换膜湿度与所述标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将所述参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；
基于所述目标阴极入口湿度以及所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的实际隔膜性能参数。
2.根据权利要求1所述的增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，所述基于各阴极入口参考湿度以及所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度，包括：
基于各阴极入口参考湿度，得到所述电堆阴极入口的含水量；
根据所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，基于所述电堆阴极入口的含水量、所述电堆在所述目标时段内的产水量以及所述电堆在所述目标时段内阳极出口的排水量，确定所述电堆阴极出口的含水量；
基于所述电堆阴极出口的含水量，确定各阴极出口参考湿度。
3.根据权利要求1所述的增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，所述基于所述目标阴极入口湿度以及所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的实际隔膜性能参数，包括：
基于所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的湿侧入口的第一水蒸气分压；基于所述目标阴极入口湿度，确定所述增湿器的干侧出口的第三水蒸气分压；
基于所述增湿器干侧入口的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述增湿器干侧入口的第二水蒸气分压以及所述第三水蒸气分压，确定所述实际隔膜性能参数。
4.根据权利要求3所述的增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，所述基于所述增湿器干侧的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述增湿器干侧入口的第二水蒸气分压以及所述第三水蒸气分压，确定所述实际隔膜性能参数，包括：
基于所述增湿器干侧的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述第二水蒸气分压以及所述第三水蒸气分压，确定所述增湿器的加湿量；
基于所述增湿器的加湿量，确定所述实际隔膜性能参数。
5.根据权利要求4所述的增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，所述增湿器干侧的总气压、所述增湿器干侧的气体流量、所述第一水蒸气分压、所述第二水蒸气分压、所述第三水蒸气分压以及所述实际隔膜性能参数满足以下关系：
A（P1-P3）=Q（P3-P2）/P总；
其中，A为所述实际隔膜性能参数，A用于表示在单位气压差以及单位时间下，气体在已知面积与厚度的增湿器隔膜下的扩散速率，扩散速率用于表示单位时间扩散的气体物质量；P1为所述第一水蒸气分压，P2为所述第二水蒸气分压，P3为所述第三水蒸气分压，Q为所述增湿器干侧的气体流量，Q用于表示单位时间下增湿器干侧流过的气体物质量，P总为所述增湿器干侧的总气压。
6.根据权利要求3所述的增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，所述实际隔膜性能参数与所述隔膜的扩散速率、所述隔膜的面积以及所述隔膜的厚度满足以下关系：
A=DS/dx；
其中，A为所述实际隔膜性能参数，D用于表示在单位气压差、单位面积、单位厚度以及单位时间下气体在增湿器隔膜的扩散速率；S为所述隔膜的面积，dx为所述隔膜的厚度。
7.根据权利要求1所述的增湿器隔膜性能参数确定方法，其特征在于，所述确定所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值，包括：
在所述电堆处于运行工况的情况下，对所述电堆的高频阻抗值进行监测与记录，得到所述高频阻抗值的数据表；
对所述高频阻抗值的数据表进行分析，并在所述高频阻抗值不满足目标预设条件的情况下调整所述电堆的目标工况参数，使得所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值。
8.一种增湿器隔膜性能参数确定装置，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于确定电堆在目标时段内处于稳态工况，并确定所述电堆的高频阻抗值大于目标阻抗阈值；
第二处理模块，用于基于所述目标时段内的高频阻抗值以及目标湿度表，确定所述目标时段内高频阻抗值对应的标准质子交换膜湿度，所述目标湿度表是通过对所述电堆在大于所述目标阻抗阈值的高频阻抗值下对应的质子交换膜湿度进行测定得到的；
第三处理模块，用于确定所述电堆在所述目标时段内的各阴极入口参考湿度；
第四处理模块，用于基于各阴极入口参考湿度以及所述电堆在所述目标时段内稳态工况下的水平衡模型，得到各阴极入口参考湿度对应的阴极出口参考湿度；
第五处理模块，用于基于各阴极入口参考湿度和对应的各阴极出口参考湿度，得到各参考质子交换膜湿度；
第六处理模块，用于在所述参考质子交换膜湿度与所述标准质子交换膜湿度之间的差值的绝对值小于目标阈值的情况下，将所述参考质子交换膜湿度对应的阴极入口参考湿度和阴极出口参考湿度分别确定为目标阴极入口湿度和目标阴极出口湿度；
第七处理模块，用于基于所述目标阴极入口湿度以及所述目标阴极出口湿度，确定所述增湿器的实际隔膜性能参数。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述增湿器隔膜性能参数确定方法。
10.一种燃料电池，其特征在于，包括电堆、增湿器以及如权利要求9所述的电子设备。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106784935A (zh) * | 2017-03-10 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | 一种燃料电池输出性能的寻优方法 |
| CN115663240A (zh) * | 2022-10-21 | 2023-01-31 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 燃料电池性能恢复方法、装置及系统 |
-
2023
- 2023-10-23 CN CN202311368809.5A patent/CN117117255B/zh active Active
Patent Citations (2)
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| CN106784935A (zh) * | 2017-03-10 | 2017-05-31 | 中国计量大学 | 一种燃料电池输出性能的寻优方法 |
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