膜加湿器性能的参数控制方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及质子交换膜燃料电池，尤其涉及一种用于质子交换膜(pem)燃料电池的膜加湿器性能的参数控制方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、质子交换膜(pem)燃料电池反应气体的最佳增湿对其性能影响极大；为了确保聚合物膜燃料电池电解质的高离子导电性，水的管理在平衡燃料电池性能方面起着非常重要的作用，并且需要有足够高的膜水容量，尤其是在高电流密度下，燃料电池在干燥条件下的性能会缩短膜的寿命，并导致膜与电极的粘附；另一方面，转移到阴极的水会导致水在阴极气体扩散层中积聚，如果太多的水聚集在阴极中，它会冷凝并关闭气体扩散层的一些孔隙，从而阻止氧气到达阴极催化剂层，这种被称为浮力的现象会降低电池中的化学反应速率和电池电压，浮力通常发生在高电流密度下，尤其是在低入口流量和低温下；反应器气体加湿器应在进入电池并调整加湿速率之前使用，尤其是在阳极侧；即使加湿也是必要的，以防止靠近阳极入口的部分膜干燥，在不润湿反应气体的情况下，电池性能在20％-40％之间下降。

2、有不同的加湿反应气体的方法，可分为两类：外加湿和内加湿；内部加湿方法包括将膜加湿器与细胞块整合，使用膜添加剂，使用多孔吸水海绵，适当分配水和直接注入液态水或蒸汽；外部加湿方法主要包括气泡法或露点法、焓轮法和膜法。

3、在这些方法中，膜加湿器是最简单和最常见的加湿器方法，通过降低燃料电池系统的复杂性和其孔隙率功率，具有最低的能耗，这种方法使用半透膜。从几何角度来看，有两种类型的膜式加湿器、平板式和管壳式；湿气体(或液态水(和燃料)或空气)流经膜两侧的通道，通过在膜/气体界面蒸发，它湿润干气体，利用电池内部产生的热量和水来减少燃料电池系统的体积，而不使用喷嘴，因此这种加湿器方法是控制进入燃料电池的水分的最佳选择。

4、可以指出这种方法的局限性，例如对湿润过程和膜增湿、气体吸收的水分速率、膜渗透性的函数参数、加湿器的温度和操作压力以及通过加湿器的流量缺乏足够的控制，然而，膜法仍然是湿润燃料电池系统中反应气体的最常用方法之一。

5、就流向而言，加湿器与转换器一样，分为三种类型：并联电流、反向电流和交叉电流；研究表明，逆流式膜加湿器效果最好。在阴极侧，它被湿润，进入阴极或阳极电池的气体是加湿器输出的加湿气体。

6、膜加湿器的研究分为两大类：实验室研究和数值研究，qiu和merida展示了对加湿器性能的实验室研究，并在实验室研究了气转气膜加湿器中的水流量，并展示了通过降低干侧流量来增加出口露点的情况，在一项实验室研究中，howzing等人引入了一个无量纲参数，将水分子在加湿器通道中的停留时间和渗透时间联系起来，已经进行了大量的实验室研究，其主要目的是研究加湿器的各种尺寸和功能参数的影响。

7、数值研究包括解析模型、热力学模型和二维模型。park等人提出了一种与液态水一起使用的膜保湿剂的分析模型；在他们的模型中，假设加湿器的总温度是恒定的，基于温度和热量在蒸汽传输中的重要作用，这种假设，尤其是在计算输出的相对湿度时，会造成严重的误差，在他们提出的方程中，湿侧质量输入率和气体入口压力的影响是不可见的；chen和peng提出了一个膜加湿器的热力学模型，在该模型中，除了干、湿气体的主要入口通道外，还安装了第三个通道，通过滑板通过气流来控制湿度或热量，然后，他们研究了非永久性保湿剂，并检查了一些尺寸参数，尽管sub-harval等人从二维角度对加湿器进行了研究，但他们的研究结果并未在参数的研究中考虑传热速率和输出温度，yu等人还提出了一个分析模型，对薄膜保湿剂进行了参数化研究；虽然他们给出了活动期间加湿器中产生的液态水的数量，但在参数研究中，只给出出水口的露点就足够了。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述问题，提出了一种膜加湿器性能的参数控制方法、装置、设备及存储介质。

2、本发明实施例提供一种膜加湿器性能的参数控制方法，所述方法包括：

3、根据热力学第一定律确定加湿器中第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；

4、根据热力学第一定律确定加湿器中第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；

5、根据加湿器中水的摩尔质量、膜的面积、扩散系数、膜两侧的水容量和扩散时间确定水蒸气通过膜的传输速率；

6、根据所述加湿器中第一控制体、第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式以及水蒸气通过膜的传输速率确定第一控制体入口流量、第二控制体入口流量；

7、根据所述水蒸气通过膜的传输速率、第一控制体入口流量、第二控制体入口流量调整加湿器的工作状态。

8、上述方案中，所述根据热力学第一定律确定加湿器中第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式，具体包括：所述第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式为

9、式中，

10、为第一控制体的进口蒸汽质量流量，为第一控制体的出口蒸汽质量流量，为第一控制体的进口空气质量流量，为第一控制体的出口空气质量流量，为水蒸气通过膜的传输速率，为从第二控制体到第一控制体的传热速率，hmem为膜焓。

11、上述方案中，所述根据热力学第一定律确定加湿器中第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式，具体包括：所述第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式为

12、式中，

13、为第二控制体的进口蒸汽质量流量，为第二控制体的出口蒸汽质量流量，为第二控制体的进口空气质量流量，为第二控制体的出口空气质量流量，为水蒸气通过膜的传输速率，为从第二控制体到第一控制体的传热速率，hmem为膜焓。

14、上述方案中，所述方法还包括根据根据质量生存方程、第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式以及第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式确定：进出第一控制体的质量流量差和进出第二控制体的质量流量差与水蒸气通过膜的传输速率相等，即

15、

16、上述方案中，所述膜温度根据公式确定；式中，t1，out为第一控制体的出口温度，t2，out为第二控制体的出口温度。

17、上述方案中，所述根据加湿器中水的摩尔质量、膜的面积、扩散系数、膜两侧的水容量和扩散时间确定水蒸气通过膜的传输速率，具体为：根据公式确定水蒸气通过膜的传输速率式中，mv为水的摩尔质量，a为膜的面积，为扩散系数，c1为膜靠近第一控制体的的水容量，c2为膜靠近第二控制体的的水容量。

18、上述方案中，所述扩散系数dw根据水膜容量、相对膜长度、第一控制体出口处的相对湿度、第二控制体出口处的相对湿度确定，即式中，dλ为水扩散能力，λm为水膜容量。

19、本发明实施例还提供一种膜加湿器性能的参数控制装置，所述装置包括：确定单元、调控单元；

20、所述确定单元，用于根据热力学第一定律确定加湿器中第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；还用于根据热力学第一定律确定加湿器中第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；还用于根据加湿器中水的摩尔质量、膜的面积、扩散系数、膜两侧的水容量和扩散时间确定水蒸气通过膜的传输速率；还用于根据所述加湿器中第一控制体、第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式以及水蒸气通过膜的传输速率确定第一控制体入口流量、第二控制体入口流量；

21、所述调控单元，用于根据所述水蒸气通过膜的传输速率、第一控制体入口流量、第二控制体入口流量调整加湿器的工作状态。

22、本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

23、根据热力学第一定律确定加湿器中第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；

24、根据热力学第一定律确定加湿器中第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；

25、根据加湿器中水的摩尔质量、膜的面积、扩散系数、膜两侧的水容量和扩散时间确定水蒸气通过膜的传输速率；

26、根据所述加湿器中第一控制体、第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式以及水蒸气通过膜的传输速率确定第一控制体入口流量、第二控制体入口流量；

27、根据所述水蒸气通过膜的传输速率、第一控制体入口流量、第二控制体入口流量调整加湿器的工作状态。

28、本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

29、根据热力学第一定律确定加湿器中第一控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；

30、根据热力学第一定律确定加湿器中第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式；

31、根据加湿器中水的摩尔质量、膜的面积、扩散系数、膜两侧的水容量和扩散时间确定水蒸气通过膜的传输速率；

32、根据所述加湿器中第一控制体、第二控制体气象蒸汽的入口处和出口处的质量流量、焓、膜焓、水蒸气通过膜的传输速率的关系式以及水蒸气通过膜的传输速率确定第一控制体入口流量、第二控制体入口流量；

33、根据所述水蒸气通过膜的传输速率、第一控制体入口流量、第二控制体入口流量调整加湿器的工作状态。

34、采用本发明实施例，具有如下有益效果：

35、本发明能够确定和建立适用于加湿器和燃料电池的各种应用最佳运行条件。