燃料电池用膜加湿器建模方法、膜加湿器模块及模型

技术领域

本申请涉及仿真建模技术领域，具体涉及一种燃料电池用膜加湿器建模方法、膜加湿器模块及模型。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种采用质子导电聚合物薄膜做电解质，利用氢气和空气中氧气的电化学反应的发电设备。现有技术表明，为了提高电池寿命和效率，利用燃料电池的高湿度尾气对进入燃料电池电堆的空气进行预增湿是一种必要技术。

仿真模型是指研究仿真对象而制成的各种模型。如被仿真对象的物理模型或适于计算处理的数学模型。物理模型用于物理仿真，数学模型用于数学仿真(计算机仿真)，二者的结合用于半实物仿真。

现有的一维膜加湿器模型虽计算速度快，但基于目标湿度的模型是强行改变了进气组分，存在无法模拟加湿器的加湿过程、难以准确的获得其特性图，并且由于每台膜加湿器的特性不同，因此无法通过仿真进行部件选型和优化设计的问题。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种燃料电池用膜加湿器建模方法、膜加湿器模块及模型。

第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池用膜加湿器建模方法，包括：

建立初始膜加湿器模型；

基于结构化建模方法将所述初始膜加湿器模型分解成多个子模型；

将所述多个子模型相互连接以获得子模块；

沿所述初始膜加湿器模型的流道方向对所述初始膜加湿器模型进行离散划分；

将所述子模块沿所述流道方向依次连接以获得离散化膜加湿器模型。

在一些实施例中，所述多个子模型包括下述中的至少一项：

干燥侧模型、湿润侧模型、质子交换膜模型、传质模型以及传热模型。

在一些实施例中，其特征在于，所述将所述多个子模型相互连接以获得子模块，包括：

将所述质子交换膜模型与所述湿润侧模型通过所述传质模型以及所述传热模型连接；

将所述质子交换膜模型与所述干燥侧模型通过所述传质模型以及所述传热模型连接；

将所述干燥侧模型通过所述传热模型与外界环境连接；

其中，所述传热模型通过热接口与所述质子交换膜模型、所述湿润侧模型、所述干燥侧模型以及所述外界环境连接，所述传质模型通过流体接口与所述质子交换膜模型、所述湿润侧模型以及所述干燥侧模型连接。

在一些实施例中，所述干燥侧模型包括干燥侧水活度模型、干燥侧气体组分模型以及干燥侧温度变化模型；

所述干燥侧水活度模型为；

其中，

所述干燥侧气体组分模型为；

其中，

所述干燥侧温度变化模型为；

其中，

在一些实施例中，所述湿润侧模型包括湿润侧水活度模型、湿润侧气体组分模型以及湿润侧温度变化模型；

所述湿润侧水活度模型为；

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其中，

所述湿润侧气体组分模型为；

其中，

为湿润侧出口处氩气的质量分数，/>

所述湿润侧温度变化模型为；

其中，

在一些实施例中，所述质子交换膜模型包括干燥侧当量模态水含量模型、湿润侧当量模态水含量模型、干燥侧模态水扩散系数模型、湿润侧模态水扩散系数模型、干燥侧模态水含量模型、湿润侧模态水含量模型以及膜温度变化模型；

所述干燥侧当量模态水含量模型为：

/>

其中，

所述湿润侧当量模态水含量模

其中，

所述干燥侧模态水扩散系数模型为：

其中，

所述湿润侧模态水扩散系数模型为：

其中，

所述干燥侧模态水含量模型为：

其中，

所述湿润侧模态水含量模型为：

其中，

所述膜温度变化模型为：

其中，

在一些实施例中，所述传质模型包括：

其中，

在一些实施例中，所述传热模型包括：

其中，

第二方面，本发明实施例提供了一种燃料电池用膜加湿器模块，包括：

干燥侧模型，用于模拟膜加湿器干燥侧的工作状态；

湿润侧模型，用于模拟膜加湿器湿润侧的工作状态；

质子交换膜模型，用于模拟膜加湿器的质子交换膜；

传质模型，用于计算所述干燥侧模型与所述质子交换膜模型之间的物质传输量以及所述质子交换膜与所述湿润侧模型之间的物质传输量；

传热模型，用于计算所述干燥侧模型与所述质子交换膜模型之间的热量传输量、所述质子交换膜与所述湿润侧模型之间的热量传输量以及所述干燥侧模型与外界环境之间的热量传输量。

第三方面，一种燃料电池用膜加湿器模块，包括：

多个沿膜加湿器模型流道方向依次连接的如上述的子模块。

本发明实施例具有以下有益效果：

本申请通过建立初始膜加湿器模型，基于结构化建模方法将所述初始膜加湿器模型分解成多个子模型，将所述多个子模型相互连接以获得子模块，沿所述初始膜加湿器模型的流道方向对所述初始膜加湿器模型进行离散划分，然后将所述子模块沿所述流道方向依次连接以获得离散化膜加湿器模型，实现了在一维模型中计算、监测膜加湿器内部的变量信息，观察加湿器内部变化过程，同时又具有较高的计算速度和精度以满足系统仿真的需求，实现在系统级仿真中监测膜加湿器内部的物质和热量的瞬态变化，为电堆系统尾气自加湿功能设计提供支持，降低人工计算工作量。

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为本申请实施例提供一种燃料电池用膜加湿器建模方法的流程图；

图2为本申请实施例提供管束式膜加湿器结构简化图；

图3为本申请实施例提供管束式膜加湿器传热传质示意图；

图4为本申请实施例提供一种瞬态燃料电池用膜加湿器子模块的示意图；

图5为本申请实施例提供一种燃料电池用膜加湿器模型的示意图。

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。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

在碳中和背景下，政策开始更多向氢能倾斜，燃料电池技术的开发和创新将得到更多的关注。在所有燃料电池技术中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高功率密度、高能量转换效率的特点并率先实现了商业化。质子交换膜燃料电池的性能极大程度的依赖于质子交换膜的质子传导性，因此在运行过程中保持膜电极的湿润状态是至关重要的。基于膜加湿器的外部增湿方法由于增湿量大且出口湿度可通过反馈调控，是目前使用最广泛的燃料电池系统的增湿途径。

膜加湿器既可满足车载燃料电池系统空间紧凑性的要求，选用从电堆阴极排出的高温高湿的空气尾气作为加湿气体，又由于膜不传递气体的性质保证了阳极气体的纯度。

目前广泛使用的燃料电池膜加湿器模型主要包括使用fluent进行仿真的三维膜加湿器模型及使用AMEsim、CruiseM等的一维模型。三维模型建模过程较复杂，需要首先对膜加湿器的结构建模网格划分，再使用基于原理的微元公式进行计算，变量在空间三个方向上都会发生变化。三维膜加湿器模型计算准确能得到整个空间流场中的信息，侧重于零部件级别详细的开发，侧重于膜加湿器详细结构的优化，能确定各个部分的参数和设计的合理性。一维膜加湿器模型中变量只沿一个方向变化，无需详细的结构信息。目前常用的一维模型都是基于用户设置的目标湿度或通过查看关于温度、湿度及增湿效率的特性图的方法获得出口处的相对湿度信息。一维膜加湿器模型计算速度快，侧重于系统级分析，重点在于整车或系统性能分析。

现有的一维膜加湿器模型虽计算速度快，但基于目标湿度的模型是强行改变了进气组分，存在无法模拟加湿器的加湿过程、难以准确的获得其特性图，并且由于每台膜加湿器的特性不同，因此无法通过仿真进行部件选型和优化设计的问题。

第一方面，针对现有技术中的问题，如图1所示，本申请提出了一种燃料电池用膜加湿器建模方法：

S101、建立初始膜加湿器模型；

需要说明的是，本发明的初始应建立初始膜加湿器模型，其中，建立的初始膜加湿器模型是一维模型，所述一维模型可以通过OPENmodelica、Dymola、Mworks、Cautosim等具备modelica建模功能的软件建立，本申请对一维模型的建模工具并不作具体要求。

需要说明的是，本发明基于目前最常用的管束式膜加湿器，如图2所示，管束式膜加湿器呈管状结构，内部有许多的微小的Nafion管束，在建模过程中将原多孔结构简化为干燥侧与湿润侧，其中干燥侧与湿润侧的接触面积=管数N×微管截面周长C×加湿器长度L。

需要说明的是，本发明建立的初始膜加湿器模型使用面向对象建模的modelica语言，充分考虑管束式膜加湿器内部水-气-热-力的传输机制，其中涉及到的物理过程包括水蒸气与膜态水相变、水蒸气与液态水相变、质子交换膜吸放水、气体组分传输、热量传递等，并且水蒸气与膜态水相变、水蒸气与液态水相变、质子交换膜吸放水、气体组分传输、热量传递之间具有强烈的耦合性。为简化模型降低计算难度，可假设液态水以雾状液滴的形式存在将气体混合物与液态水作为一个新的混合物来共同求解。

S102、基于结构化建模方法将所述初始膜加湿器模型分解成多个子模型；

需要说明的是，在建立初始膜加湿器模型时，需先将所述初始膜加湿器模型分解成多个子模型，以针对所述初始膜加湿器模型的各个节点进行物质量的计算以及热量的计算。

在一些实施例中，所述多个子模型包括下述中的至少一项：

干燥侧模型、湿润侧模型、质子交换膜（MEM）模型、传质模型以及传热模型。

需要说明的是，所述干燥侧模型、所述湿润侧模型、所述质子交换膜（MEM）模型、所述传质模型以及所述传热模型为根据所述管束式膜加湿器的物理结构以及各部分之间的物质传输以及热量传输关系进行划分，以保证划分的合理性。

如图3所示，其为管束式膜加湿器传热传质示意图，在管束式膜加湿器工作时，由湿润侧进口处流进的高温的水蒸气释放热量转变成为模态水，所述模态水进入质子交换膜并透过质子交换膜进入干燥侧，同时干燥侧的模态水吸收由湿润侧传递过来的热量以使干燥侧的模态水相变成为水蒸气进而增加干燥侧的水蒸气含量。

S103、将所述多个子模型相互连接以获得子模块；

需要说明的是，为实现监测膜加湿器内各个节点的变量信息，观察加湿器内部变化过程，需针对膜加湿器模型的各个节点建立子模块。

在一些实施例中，所述将所述多个子模型相互连接以获得子模块，包括：

将所述质子交换膜模型与所述湿润侧模型通过所述传质模型以及所述传热模型连接；

将所述质子交换膜模型与所述干燥侧模型通过所述传质模型以及所述传热模型连接；

将所述干燥侧模型通过所述传热模型与外界环境连接；

其中，所述传热模型通过热接口与所述质子交换膜模型、所述湿润侧模型、所述干燥侧模型以及所述外界环境连接，所述传质模型通过流体接口与所述质子交换膜模型、所述湿润侧模型以及所述干燥侧模型连接。

需要说明的是，因所述质子交换膜模型与所述湿润侧模型之间具有物质传输以及热量传输，所以需通过传质模型、传热模型将所述质子交换膜模型与所述湿润侧模型进行连接，其中，所述传质模型用于计算所述质子交换膜与所述湿润侧模型之间的物质传输量，所述传热模型用于计算所述质子交换膜与所述湿润侧模型之间的热量传输量。

需要说明的是，因所述质子交换膜模型与所述干燥侧模型之间具有物质传输以及热量传输，所以需通过传质模型、传热模型将所述质子交换膜模型与所述干燥侧模型进行连接，其中，所述传质模型用于计算所述质子交换膜与所述干燥侧模型之间的物质传输量，所述传热模型用于计算所述质子交换膜与所述干燥侧模型之间的热量传输量。

需要说明的是，因所述干燥侧模型与外界环境之间具有热量传输，所以需通过传热模型将所述干燥侧模型与外界环境相连，其中，所述传热模型用于计算所述干燥侧模型与外界环境之间的热量传递。

需要说明的是，所述热接口用于传递热量信息，所述流体接口用于传递物质信息。

需要说明的是，在建模时开发人员可通过拖拽连接的方式将所述干燥侧模型、所述湿润侧模型、所述质子交换膜（MEM）模型、所述传质模型以及传热模型进行连接以组成具有计算能力的子模块，其中，每个子模块可位于所述离散划分的初始膜加湿器模型的节点上，以获得所述膜加湿器运行的各个节点的物质信息和热量信息，可以极大降低模型开发人员在方程离散、变量耦合、考虑瞬态变化等方面耗费的精力，将繁复的工作交给内核处理，降低建模复杂度的同时也提高了组件模型的可复用性。

在一些实施例中，所述干燥侧模型包括干燥侧水活度模型、干燥侧气体组分模型以及干燥侧温度变化模型；

需要说明的是，膜加湿器干燥侧通常存在水活度的变化、气体组分的变化以及温度的变化，故所述干燥侧模型包括干燥侧水活度模型、干燥侧气体组分模型以及干燥侧温度变化模型，其中，所述干燥侧水活度模型用于计算所述干燥侧模型的水活度，所述干燥侧气体组分模型用于计算所述干燥的侧气体组分，所述干燥侧温度变化模型用于计算所述干燥侧的温度变化量。

所述干燥侧水活度模型为；

其中，

需要说明的是，可通过质量守恒定律计算干燥侧流道内的气体组分变化：

所述干燥侧气体组分模型为；

其中，

需要说明的是，可根据能量守恒定律计算干燥侧流道内的温度变化：

所述干燥侧温度变化模型为；

其中，

在一些实施例中，所述湿润侧模型包括湿润侧水活度模型、湿润侧气体组分模型以及湿润侧温度变化模型；

需要说明的是，膜加湿器湿润侧通常存在水活度的变化、气体组分的变化以及温度的变化，故所述湿润侧模型包括湿润侧水活度模型、湿润侧气体组分模型以及湿润侧温度变化模型，其中，所述湿润侧水活度模型用于计算所述湿润侧模型的水活度，所述湿润侧气体组分模型用于计算所述湿润的侧气体组分，所述湿润侧温度变化模型用于计算所述湿润侧的温度变化量。

所述湿润侧水活度模型为；

其中，

需要说明的是，可通过质量守恒定律计算湿润侧流道内的气体组分变化：

所述湿润侧气体组分模型为；

其中，

需要说明的是，可根据能量守恒定律计算湿润侧流道内的温度变化以及膜加湿器外壳的温度变化：

所述湿润侧温度变化模型为；

其中，

在一些实施例中，所述质子交换膜模型包括干燥侧当量模态水含量模型、湿润侧当量模态水含量模型、干燥侧模态水扩散系数模型、湿润侧模态水扩散系数模型、干燥侧模态水含量模型、湿润侧模态水含量模型以及膜温度变化模型；

需要说明的是，所述质子交换膜通常既与干燥侧相连又与湿润侧相连，其参与的状态变化有湿润侧的水蒸气相变成为模态水附着在所述质子交换膜的湿润侧、湿润侧的水蒸气透过质子交换膜进入质子交换膜的干燥侧、质子交换膜干燥侧的模态水吸收热量相变成为水蒸气以及质子交换膜的温度变化，故质子交换膜模型通常包括干燥侧当量模态水含量模型、湿润侧当量模态水含量模型、干燥侧模态水扩散系数模型、湿润侧模态水扩散系数模型、干燥侧模态水含量模型、湿润侧模态水含量模型以及膜温度变化模型，其中，所述干燥侧当量模态水含量模型用于计算干燥侧的当量模态水含量，所述湿润侧当量模态水含量模型用于计算湿润侧的当量模态水含量，所述干燥侧模态水扩散系数模型用于计算干燥侧的模态水的扩散系数、所述湿润侧模态水扩散系数模型用于计算湿润侧的模态水的扩散系数、所述干燥侧模态水含量模型用于计算干燥侧的模态水含量、湿润侧模态水含量模型用于计算湿润侧的模态水含量、膜温度变化模型用于计算质子交换膜的温度变化量。

所述干燥侧当量模态水含量模型为：

其中，

所述湿润侧当量模态水含量模型：

其中，

所述干燥侧模态水扩散系数模型为：

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其中，

所述湿润侧模态水扩散系数模型为：

其中，

需要说明的是，可通过膜态水质量守恒方程与膜态水源项耦合得出膜态水含量，其中源项主要是膜态水的相变而湿润侧由于液态水含量较少因此忽略水力渗透带来的水传输。

所述干燥侧模态水含量模型为：

其中，

所述湿润侧模态水含量模型为：

其中，

所述膜温度变化模型为：

Cp

其中，

在一些实施例中，所述传质模型包括：

其中，

需要说明的是，所述传质模型用于计算物质的传输量，故需先计算干燥侧膜的膜态水源项以及湿润侧膜的膜态水源项，以进一步计算传递进干燥侧流道的质量流率

在一些实施例中，所述传热模型包括：

其中，

需要说明的是，因热量的传递存在于湿润侧与质子交换膜之间、质子交换膜与干燥侧之间、干燥侧与外界环境之间，还存在壁面的温度变化，故需分别对其进行计算。

S104、沿所述初始膜加湿器模型的流道方向对所述初始膜加湿器模型进行离散划分；

需要说明的是，在完成子模块的连接之后，需沿所述初始膜加湿器模型的流道方向对所述初始膜加湿器模型进行离散划分，以便后续将所述子模块沿所述进行离散划分后的初始膜加湿器模型进行依次连接。其中，通过位于各个节点上的子模块可以提供相应节点位置处物质信息以及热量信息。

S105、将所述子模块沿所述流道方向依次连接以获得离散化膜加湿器模型；

需要说明的是，为使建立的膜加湿器模型符合所处初始膜加湿器模型需沿所述流道方向将所述子模块依次连接以获得离散化膜加湿器模型，其中，所述离散化膜加湿器模型可以通过位于各个节点上的子模块可以提供相应节点位置处物质信息以及热量信息，实现系统级仿真中监测膜加湿器内部的物质和热量瞬态变化，为电堆系统尾气自加湿功能设计提供支持。

在一些实施例中，所述子模块通过前一所述子模块内的干燥侧模型与后一所述子模块内的干燥侧模型通过流体接口连接，所述流体接口用于传递质量流率、气体焓值、气体组分以及蒸汽压力等信息。

在一些实施例中，所述子模块通过前一所述子模块内的湿润侧模型与后一所述子模块内的湿润侧模型通过流体接口连接，所述流体接口用于传递质量流率、气体焓值、气体组分以及蒸汽压力等信息。

综上所述，本发明提供的一种燃料电池用膜加湿器建模方法通过建立初始膜加湿器模型，基于结构化建模方法将所述初始膜加湿器模型分解成多个子模型，将所述多个子模型相互连接以获得子模块，沿所述初始膜加湿器模型的流道方向对所述初始膜加湿器模型进行离散划分，然后将所述子模块沿所述流道方向依次连接以获得离散化膜加湿器模型，实现了在一维模型中计算、监测膜加湿器内部的变量信息，观察加湿器内部变化过程，同时又具有较高的计算速度和精度以满足系统仿真的需求，实现在系统级仿真中监测膜加湿器内部的物质和热量的瞬态变化，为电堆系统尾气自加湿功能设计提供支持，降低人工计算工作量。

第二方面，如图4所示，本发明提供了一种燃料电池用膜加湿器模块，其特征在于，包括：

干燥侧模型，用于模拟膜加湿器干燥侧的工作状态；

湿润侧模型，用于模拟膜加湿器湿润侧的工作状态；

质子交换膜模型，用于模拟膜加湿器的质子交换膜；

传质模型，用于计算所述干燥侧模型与所述质子交换膜模型之间的物质传输量以及所述质子交换膜与所述湿润侧模型之间的物质传输量；

传热模型，用于计算所述干燥侧模型与所述质子交换膜模型之间的热量传输量、所述质子交换膜与所述湿润侧模型之间的热量传输量以及所述干燥侧模型与外界环境之间的热量传输量。

第三方面，如图5所示，本发明提供了一种燃料电池用膜加湿器模型，其特征在于，包括多个沿膜加湿器模型流道方向依次连接的子模块。

可以理解的是，第三方面提供的膜加湿器模型、第二方面提供的膜加湿器模块与第一方面提供的方法相对应，其有关内容的解释、举例、具体实施方式等有关说明可以参考第一方面中的相应部分。

需要说明的是，本发明所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本申请范围。如本发明说明书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。

还需说明的是，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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，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。

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。