针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法、装置、处理器及其存储介质与流程

本发明涉及氢燃料电池，尤其涉及燃料电池测试台鼓泡式加湿装置领域，具体是指一种针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池一般由双极板、密封垫圈和膜电极组件组成，其中膜电极组件又由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成。在质子交换膜燃料电池的运行过程中，为了保证质子的良好传导性，一般需要将反应气体增湿以保证质子交换膜合适的湿度。如果质子交换膜过于干燥，则会导致质子交换膜表面覆盖的催化剂层活性下降，甚至可能导致膜电极组件的破裂，致使阳极氢气和阴极氧气相互混合，发生燃烧爆炸。如果质子交换膜过于湿润，则会导致燃料电池内部积水严重，使得气体的流动受阻并削弱催化剂的活性。

2、不同膜电极材料、不同流道结构和不同输出功率的质子交换膜燃料电池需要不同的进气流量、进气温度和进气湿度以保证其正常运行。特别对于大功率、高堆叠层数的质子交换膜燃料电池，需要在气体流量较大的情况下保证尽可能宽的加湿范围。

3、目前燃料电池测试台气体加湿装置一般分为鼓泡式和喷淋式。鼓泡式加湿装置的基本原理是：干气体在一定的气压下通过分布在液池底部的小孔，以获得大量分散在液池中的气泡，使得气相和液相之间能够直接接触，从而获得较好的传质和传热效果。目前，对于鼓泡式加湿装置，大流量下气体加湿范围需要通过经验预估并最终依靠大量的实验进行验证。如果加湿装置不能够满足设计要求，则需要重新根据经验来调整已有的结构并再次进行测试，所需物料成本和时间成本都较高。因此，针对鼓泡式加湿装置，急需一种加湿性能预测方法，在设计阶段可以通过该方法来快速预估加湿设备的性能并优化设计参数，尽可能地减少加湿装置制造完成后的反复调试过程。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足调试时间短、准确性高、适用范围较为广泛的针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

2、为了实现上述目的，本发明的针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：

3、该针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

4、(1)根据鼓泡设备的结构参数和物理属性分别计算流体无量纲数；

5、(2)根据无量纲数，通过气泡平均直径预测模型，计算得到对应气流速度下的平均气泡直径db；

6、(3)根据平均气泡直径db，同时输入气相入口湿度h1、液池液相温度tl、液相温度对应下的气体饱和湿度hs和面积传质系数kc，根据气相加湿性能预测模型得到气相出口湿度h2；

7、(4)判断气相出口湿度h2是否符合设计目标，如果是，则完成设计，结束步骤；否则，重新调整设计参数，继续步骤(1)。

8、较佳地，所述的步骤(1)计算的流体无量纲数包括邦德数bo，所述的步骤(1)中计算邦德数bo，具体为：

9、根据以下公式计算邦德数bo：

10、

11、其中，g为重力加速度，n为气孔数量，d0为气孔直径，ρl为液体密度，σl为液体表面张力。

12、较佳地，所述的步骤(1)计算的流体无量纲数包括伽利略数ga，所述的步骤(1)中计算伽利略数ga，具体为：

13、根据以下公式计算伽利略数ga：

14、

15、其中，g为重力加速度，n为气孔数量，d0为气孔直径，vl为液体动力粘度。

16、较佳地，所述的步骤(1)计算的流体无量纲数包括弗劳德数fr，所述的步骤(1)中计算弗劳德数fr，具体为：

17、根据以下公式计算弗劳德数fr：

18、

19、其中，u0为气孔流速，g为重力加速度，n为气孔数量，d0为气孔直径。

20、较佳地，所述的步骤(2)中的气泡平均直径预测模型，具体为：

21、根据以下公式表示气泡平均直径预测模型：

22、

23、其中，k,a,b,c为可供修正的系数和指数，bo为邦德数，ga为伽利略数，fr为弗劳德数，n为气孔数量，d0为气孔直径。

24、较佳地，所述的方法还包括通过计算流体力学仿真结果调整所述的系数和指数k,a,b,c的步骤，具体包括以下步骤：

25、(1-1)根据所需的罐体内腔建立对应的加湿设备cad模型；

26、(1-2)对于罐体内部流体区域进行离散化；

27、(1-3)选择合适的计算模型，并输入加湿装置的边界条件。；

28、(1-4)根据罐体的液体分布划定罐体内部的液体区域和气体区域，并进行初始化和求解；

29、(1-5)对于计算结果进行后处理，包括提取液池中各个气泡的大小，得到气泡的平均直径和直径分布。

30、较佳地，所述的步骤(3)中的气相加湿性能预测模型，具体为：

31、根据以下公式表示气相加湿性能预测模型：

32、

33、其中，kc为传质系数，db为平均气泡直径，h1为气相入口湿度，hs为液相温度对应下的气体饱和湿度。

34、较佳地，所述的方法还包括对传质系数kc通过鼓泡实验进行拟合的步骤，具体包括以下步骤：

35、(2-1)通过液体传输系统将指定温度t下的液体输送至鼓泡主体，使鼓泡区内形成高度为h的液池；

36、(2-2)打开气体传输通道，将干燥空气通过空气压缩机输送至鼓泡主体底部的气体分布板，经由气体分布板形成气泡；通过布置在空气压缩机出口的流量传感器、气压传感器和湿度传感器记录鼓泡区输入气体的流量q和气压；

37、(2-3)打开顶部出气口的湿度传感器和气压传感器。待湿度传感器读数稳定后，记录数值；

38、(2-4)改变不同的输入参数，重复(2-1)～(2-3)，得到不同输入参数下的传质系数kc，并将记录的多组数据进行拟合。

39、较佳地，所述的步骤(2-2)还包括计算气孔流速u0，具体为：

40、根据以下公式计算气孔流速u0：

41、

42、其中，q为鼓泡区输入气体的流量，n为气孔数量，为气孔直径。

43、较佳地，所述的步骤(2-4)中得到传质系数kc，具体为：

44、根据以下公式得到传质系数kc：

45、

46、其中，db为平均气泡直径，h1为气相入口湿度，h2为气相出口湿度，hs为液相温度对应下的气体饱和湿度。

47、该用于实现针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置进行性能预测处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括：

48、处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

49、存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法的各个步骤。

50、该用于实现针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置进行性能预测处理的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法的各个步骤。

51、该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法的各个步骤。

52、采用了本发明的针对燃料电池测试台鼓泡式加湿装置实现性能预测处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，相比现有设计初期阶段完全依靠经验对鼓泡式加湿装置进行结构设计，本方法使用半理论-半经验模型在设计初期对鼓泡式加湿装置的关键参数进行快速设计，大幅缩减加湿装置制造完成后的调试时间。同时，该方法可以结合仿真、实验或者实际装置的运行数据对模型进行细微修正，使得后续在设计其他鼓泡式加湿设备时可以获得更加准确的数据。