CN113707916B - 燃料电池湿度估算方法及估算*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池湿度估算方法及估算***，估算方法包括如下步骤：S1、获取增湿器的干入口、干出口、湿入口及湿出口处的湿空气信息，所述湿空气信息包括气体温度；并获取增湿器外部环境的环境温度；同时，假设增湿器的湿侧传递到干侧的水量为x，S2、根据获取到的湿空气信息、环境温度及水量x，建立增湿器的总能量变化量的估算模型；并根据估算模型，估算当增湿器的总能量变化量的绝对值小于或等于设定值、或为零时，水量x的实际大小；S3、根据水量x的实际大小及干入口处的湿空气信息计算干出口处的实际湿度。本燃料电池湿度估算方法及估算***的估算精度更高，操作简单，更易于推广使用。

Description

燃料电池湿度估算方法及估算***

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池湿度估算方法及估算***。

背景技术

燃料电池的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空气环境，湿度传感器(或露点仪)难以在此处长期可靠工作且传感器成本很高。产品上一般无法直接测量此处的真实湿度，这对电堆运行的可靠控制带来了难题。

现有的针对此处的湿度评估方法，很多需要使用复杂的增湿器内在传质传热模型(包括水的冷凝和蒸发过程)，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而变化)，且其评估精度较低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种精度更高的燃料电池湿度估算方法。

为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池湿度估算方法，包括如下步骤：

S1、获取增湿器的干入口、干出口、湿入口及湿出口处的湿空气信息，所述湿空气信息包括气体温度；并获取增湿器外部环境的环境温度；同时，假设增湿器的湿侧传递到干侧的水量为x，

S2、根据获取到的湿空气信息、环境温度及水量x，建立增湿器的总能量变化量的估算模型；并根据估算模型，估算当增湿器的总能量变化量的绝对值小于或等于设定值、或为零时，水量x的实际大小；

S3、根据水量x的实际大小及干入口处的湿空气信息计算干出口处的实际湿度。

进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：

获取干入口处的空气流量、气体温度、及进气含水量；

获取干出口处的气体温度；

获取湿入口处的气体温度；

获取湿出口处的气体温度。

进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：

根据干入口处的空气流量、气体温度、及进气含水量计算干入口处的湿空气焓值H1；

根据干出口处的气体温度计算干出口处的湿空气焓值H2；

根据湿入口处的气体温度计算湿入口处的湿空气焓值H3；

根据湿出口处的气体温度计算湿出口处的湿空气焓值H4；

根据干入口、干出口、湿入口及湿出口处的气体温度，并根据增湿器外部的环境温度计算出增湿器与外界的热交换量W；

假设湿空气流经增湿器后的动能变化量为d；

建立增湿器的总能量变化量D的估算模型，且估算模型为：D＝(H1-H2+H3-H4)+W+d。

进一步地，所述步骤S2中，将动能变化量d设定为零，则估算模型为：D＝(H1-H2+H3-H4)+W。

进一步地，所述步骤S1中，利用空气流量计测得干入口处的空气流量。

进一步地，所述步骤S1中，利用干入温度传感器测得干入口处的气体温度；利用干出温度传感器测得干出口处的气体温度；利用湿入温度传感器测得湿入口处的气体温度；利用湿出温度传感器测得湿出口处的气体温度。

进一步地，所述步骤S1中，还需利用压力传感器测得干入口处的气体压力。

如上所述，本发明涉及的燃料电池湿度估算方法，具有以下有益效果：

本燃料电池湿度估算方法，将增湿器作为一个整体对待，根据获取的其各个端口处的湿空气信息、环境温度及从其湿侧传递到干侧的水量x，建立增湿器的总能量变化量的估算模型，再根据估算模型估算当增湿器的总能量变化量的绝对值小于或等于设定值、或为零时，即当增湿器的状态稳定时，水量x的实际大小，再根据水量x的实际大小及干入口处的湿空气信息计算干出口处的实际湿度，该干出口处的实际湿度即进入电堆的实际湿度，此方法能更准确获取进入电堆的实际湿度情况，不需要对增湿器内部进行复杂的建模过程，且不受增湿器内部材料特性变化带来的影响，估算精度更高，且本估算方法，操作简单，更易于推广使用。

本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种精度更高的估算***。

为实现上述目的，本发明提供一种用于实现所述燃料电池湿度估算方法的估算***，包括电堆、及增湿器，所述增湿器包括干入口、干出口、湿入口及湿出口，所述干出口和湿入口分别与电堆的进口和出口相连通，所述估算***还包括用于检测干入口处气体温度的干入温度传感器、用于检测干出口处气体温度的干出温度传感器、用于检测湿入口处气体温度的湿入温度传感器、及用于检测湿出口处气体温度的湿出温度传感器。

进一步地，所述估算***，还包括用于检测干入口处的气体压力的压力传感器。

进一步地，所述估算***，还包括通过中冷器与干入口相连通的空压机、及与湿出口相连通的节气门。

如上所述，本发明涉及的估算***，具有以下有益效果：

本估算***基于上述估算方法，能更准确估算出进入电堆的实际湿度情况，即本估算***的估算精度更高，且成本较低，使用稳定性更高。

附图说明

图1为本发明实施例中估算***的结构示意图。

图2为本发明实施例中增湿器的总能量变化量D与水量x的关系示意图。

元件标号说明

1 增湿器

11 干入口

12 干出口

13 湿入口

14 湿出口

21 干入温度传感器

22 干出温度传感器

23 湿入温度传感器

24 湿出温度传感器

31 压力传感器

4 电堆

51 中冷器

52 空压机

6 节气门

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图2所示，本实施例提供一种燃料电池湿度估算方法，包括如下步骤：

S1、获取增湿器1的干入口11、干出口12、湿入口13及湿出口14处的湿空气信息，所述湿空气信息包括气体温度；并获取增湿器1外部环境的环境温度；同时，假设增湿器1的湿侧传递到干侧的水量为x，

S2、根据获取到的湿空气信息、环境温度及水量x，建立增湿器1的总能量变化量的估算模型；并根据估算模型，估算当增湿器1的总能量变化量的绝对值小于或等于设定值、或为零时，水量x的实际大小；

S3、根据水量x的实际大小及干入口11处的湿空气信息计算干出口12处的实际湿度。

本燃料电池湿度估算方法，将增湿器1作为一个整体对待，根据获取的其各个端口处的湿空气信息、环境温度及从其湿侧传递到干侧的水量x，建立增湿器1的总能量变化量的估算模型，再根据估算模型估算当增湿器1的总能量变化量的绝对值小于或等于设定值、或为零时，即当增湿器1的状态稳定时，水量x的实际大小，再根据水量x的实际大小及干入口11处的湿空气信息计算干出口12处的实际湿度，该干出口12处的实际湿度即进入电堆4的实际湿度，此方法能更准确获取进入电堆4的实际湿度情况，不需要对增湿器1内部进行复杂的建模过程，且不受增湿器1内部材料特性变化带来的影响，估算精度更高，本估算方法，操作简单，更易于推广使用。

同时，如图1所示，本实施例提供一种用于实现所述燃料电池湿度估算方法的估算***，包括电堆4、及增湿器1，增湿器1包括干入口11、干出口12、湿入口13及湿出口14，干出口12和湿入口13分别与电堆4的进口和出口相连通，估算***还包括用于检测干入口11处气体温度的干入温度传感器21、用于检测干出口12处气体温度的干出温度传感器22、用于检测湿入口13处气体温度的湿入温度传感器23、用于检测湿出口14处气体温度的湿出温度传感器24、用于检测干入口11处的气体压力的压力传感器31、通过中冷器51与干入口11相连通的空压机52、及与湿出口14相连通的节气门6。

本发明将增湿器1作为一个整体进行对待，不需要对其内部进行复杂的建模计算，模型简单可靠易于推广使用。增湿器1和外界进行的能量交换过程包括如下主要部分：四个端口的湿空气携带的能量，包括内能和动能，增湿器1的壳体和外界环境进行的热交换。增湿器1和外界进行的物质交换过程在四个端口处发生。当增湿器1处于稳定运行状态时，根据能量守恒原理，增湿器1总的能量变化为零，根据质量守恒原理，其质量变化也为零。通过对增湿器1的各个和外界进行能量交换的位置分别列出各处能量的表达式，并依据上面两个守恒的前提，可以寻求到一个合适的状态，该状态的增湿器1***的总能量变化为零、或接近零，此时就可以得到增湿器1各接口处实际的湿度。下面详细介绍过程，如下描述的各成分的量均为单位时间内的质量。

本实施例的步骤S1包括如下步骤：

利用空气流量计测得干入口11处的空气流量；利用干入温度传感器21测得干入口11处的气体温度；并获取干入口11处的进气含水量；利用干出温度传感器22测得干出口12处的气体温度；利用湿入温度传感器23测得湿入口13处的气体温度；利用湿出温度传感器24测得湿出口14处的气体温度；另外，还需利用压力传感器31测得干入口11处的气体压力。

同时，步骤S2具体包括如下步骤：

S21、根据干入口11处的空气流量、气体温度、及进气含水量计算干入口11处的湿空气焓值H1，具体过程为，在干入口11流入增湿器1的干空气的质量流量和水蒸汽的质量流量可通过进入干入口11的空气流量、气体温度、气体压力及环境空气含水量得出(环境空气含水量可以通过传感器得出，也可以通过车联网的气象信息得出)，该空气流量可以通过燃料电池***的空气流量计测得，还可以通过空压机52流量模型并扣除其他支路分流走的流量来获取，干空气包括氮气和氧气；同时，干入口11处的液态水的质量流量为零；进而根据得到的干空气的质量流量、水蒸气的质量流量、气体温度及湿空气焓值H的通用计算公式计算出干入口11处的湿空气焓值H1，且湿空气焓值H的通用计算公式如下：

H＝1.013*T*Mair+(2500+1.84*T)*Mvap+4.18*T*Mliq

式中，T为气体温度，单位为℃；Mair为干空气的质量流量，单位为kg/s；Mvap为水蒸气的质量流量，单位为kg/s；Mliq为液态水的质量流量，单位为kg/s；1.013为干空气的定压比热，单位为kj/(kg.℃)，精确的也可以用温度T的函数来表达；1.84为水蒸气的定压比热，单位为kj/(kg.℃)，精确的也可以用温度T的函数来表达；2500为0℃时水的汽化潜热，单位为kj/kg，精确的也可以用温度T的函数来表达；4.18为液态水的比热，单位为kj/kg。

S22、根据干出口12处的气体温度计算干出口12处的湿空气焓值H2，具体过程为：

从干出口12流出的有干空气、水蒸气；当过饱和时，还有液态水，此处的水蒸气与液态水的总质量流量等于从干入口11流入的水蒸气的质量流量与水量x的和，水量x的单位为kg/s，且x为未知数，是该计算方法要寻求的目标值。此处包含氮气和氧气的干空气的质量流量与流入干入口11处的干空气的质量流量保持一致。在未饱和时，此处水蒸气的质量流量通过将干入口11处的水蒸气的质量流量与水量x求和得到；如果此处总水量超过干出口12处温度条件所对应的水蒸气的饱和量，则干出口12处的水蒸气的质量流量根据干出口12处温度条件对应的水蒸气的饱和蒸气压得到；当过饱和时，总水量再余下的部分为液态水部分；

进而再根据干出口12处的气体温度及上述湿空气焓值H的通用计算公式得到干出口12处的湿空气焓值H2。

S23、根据湿入口13处的气体温度计算湿入口13处的湿空气焓值H3，具体过程为：

经湿入口13流入增湿器1的干空气、水蒸气；当过饱和时，还有液态水。干空气包括氮气和氧气。此处氮气的量由干入口11的氮气量扣除从电堆4阴极扩散到阳极的部分得出，该部分扩散的氮气量可以由电堆4的阳极模型得出，实际运行中该部分氮气占比非常低，也可以忽略该部分；氧气量根据电堆4实际运行时的空气过量系数得出未反应完的过量部分，即根据干入口11的氧气量扣除实际电堆4电流所消耗的氧气；对于水蒸气部分，如果电堆4此工况的阴极产水量加上干出口12的总水量不超过湿入口13处温度对应的饱和蒸汽压，则湿入口13的水蒸气量为阴极产水量与干出口12的总水量之和。如果过饱和时，则水蒸气量按照湿入口13温度的饱和蒸汽压得出；湿入口13的液态水的质量流量为干出口12的总水量与电堆4阴极产水量之和再扣除掉湿入口13的饱和水蒸气量得出。上述电堆4阴极产水量＝电堆4运行的总产水量*系数MAP，MAP的值为和电堆4工况相关的阴极产水量的系数，该系数介于0～1之间，一般在0.5～0.8之间；MAP的输入参数包括且不限于如下部分：电流、温度、压力等；另外，作为可选方案：电堆4阴极产水量＝电堆4运行的总产水量-电堆4阳极排水量，电堆4阳极排水量可以由阳极排水模型来得到。

进而再根据湿入口13处的气体温度及上述湿空气焓值H的通用计算公式得到湿入口13处的湿空气焓值H3。

S24、根据湿出口14处的气体温度计算湿出口14处的湿空气焓值H4；具体过程为：

从增湿器1的湿出口14流出的有干空气、水蒸气，当过饱和时，还有液态水。干空气包括氮气和氧气。氮气的量由湿入口13的氮气量得出，氧气量由湿入口13的氧气量得出。当未饱和时，由湿入口13的总水量扣除掉水量x得出；当过饱和时水蒸气的量按照湿出口14处温度的饱和蒸汽压得出，液态水由湿入口13的总水量扣除湿出口14的饱和水蒸气量再扣除水量x得出。

进而再根据湿出口14处的气体温度及上述湿空气焓值H的通用计算公式得到湿出口14处的湿空气焓值H4。

S25、根据干入口11、干出口12、湿入口13及湿出口14处的气体温度，并根据增湿器1外部的环境温度计算出增湿器1与外界的热交换量W；具体地，可以根据增湿器1壳体的平均温度、即四个端口温度的平均值和增湿器1安装处的环境温度的差值，利用温差传热特征得出散热量的速率，单位为kj/s。

S26、假设湿空气流经增湿器1后的动能变化量为d；根据能量守恒，建立增湿器1的总能量变化量D的估算模型，且估算模型为：D＝(H1-H2+H3-H4)+W+d。

因为在燃料电池***中，空气流量的动能变化量的数量级远远低于内能变化部分；在能量守恒模型里，动能变化量产生的影响可以忽略。因此，本实施例在步骤S2中，将动能变化量d设定为零，忽略动能变化的部分，则估算模型为：D＝(H1-H2+H3-H4)+W。

分别设置从增湿器1湿侧传递到干侧的水量x从0kg/s开始，按照步长逐渐进行增加；按照上述计算过程对增湿器1的总内能变化量D进行计算，通过循环计算，寻求出D为零、接近零的工况，此工况所对应的x即为增湿器1内部实际的水传输量，见图2所示。利用求得的这个值x进一步利用上述计算过程，可以得出增湿器1各个位置的实际湿度参数，包括电堆4的入口，也即是增湿器1干出位置的实际湿度。

本实施例中估算***还包括空气流入端口、温度检测部及控制器；温度检测部分别设置于增湿器1的四个端口，用于检测增湿器1各端口温度。在上步骤S2中控制器通过寻求到刚好使得增湿器1的总能量变化量为零、或趋近于零时干湿侧之间的水传递量x，进而在步骤S3中控制器利用水传递量和由干入口11进入增湿器1的环境空气的含水量，计算出增湿器1干出口12的实际湿度。另外，本实施例中估算***还包括3个分别用于检测增湿器1的干出口12、湿入口13及湿出口14处气压的压力传感器31(这些压力信息也可以通过模型得出)。

本实施例中燃料电池湿度估算方法，通过寻求到刚好使得增湿器1的总能量变化量为零、或趋近于零的干湿侧之间的水传递量，进而利用水传递量和由干入口11进入***的环境空气的含水量，计算出增湿器1干出口12的实际湿度，此种估算方法能更准确得出干出口12的实际湿度。

本发明通过使用燃料电池***容易获取的传感器和运行参数信息，不需要在入堆位置安装昂贵易损的湿度或露点传感器，利用湿度计算模型，可以获取较为准确的实际湿度。有了湿度信息，当实际入堆湿度过低，比如：增湿器1性能劣化、操作条件温度过高等，可以及时识别到入堆湿度的不足，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4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。

本发明将增湿器1作为一个整体进行对待，不需要对增湿器1内部进行复杂的建模过程，且不受增湿器1内部材料特性变化带来的影响，只需要增加相应的温度传感器，模型简单可靠易于推广使用。通过模型可以准确获取进入电堆4的实际湿度情况，能够对燃料电池的长期可靠运行提供保障。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种燃料电池湿度估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取增湿器(1)的干入口(11)、干出口(12)、湿入口(13)及湿出口(14)处的湿空气信息，所述湿空气信息包括气体温度；并获取增湿器(1)外部环境的环境温度；同时，假设增湿器(1)的湿侧传递到干侧的水量为x，

S2、根据获取到的湿空气信息、环境温度及水量x，建立增湿器(1)的总能量变化量的估算模型；并根据估算模型，估算当增湿器(1)的总能量变化量的绝对值小于或等于设定值、或为零时，水量x的实际大小，此时增湿器(1)的状态稳定；

S3、根据水量x的实际大小及干入口(11)处的湿空气信息计算干出口(12)处的实际湿度；

所述步骤S1包括如下步骤：

获取干入口(11)处的空气流量、气体温度、及进气含水量；

获取干出口(12)处的气体温度；

获取湿入口(13)处的气体温度；

获取湿出口(14)处的气体温度；

所述步骤S2包括如下步骤：

根据干入口(11)处的空气流量、气体温度、及进气含水量计算干入口(11)处的湿空气焓值H1；

根据干出口(12)处的气体温度计算干出口(12)处的湿空气焓值H2；

根据湿入口(13)处的气体温度计算湿入口(13)处的湿空气焓值H3；

根据湿出口(14)处的气体温度计算湿出口(14)处的湿空气焓值H4；

根据干入口(11)、干出口(12)、湿入口(13)及湿出口(14)处的气体温度，并根据增湿器(1)外部的环境温度计算出增湿器(1)与外界的热交换量W；

假设湿空气流经增湿器(1)后的动能变化量为d；

建立增湿器(1)的总能量变化量D的估算模型，且估算模型为：D＝(H1-H2+H3-H4)+W+d。

2.根据权利要求1所述燃料电池湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S2中，将动能变化量d设定为零，则估算模型为：D＝(H1-H2+H3-H4)+W。

3.根据权利要求1所述燃料电池湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用空气流量计测得干入口(11)处的空气流量。

4.根据权利要求1所述燃料电池湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S1中，利用干入温度传感器(21)测得干入口(11)处的气体温度；利用干出温度传感器(22)测得干出口(12)处的气体温度；利用湿入温度传感器(23)测得湿入口(13)处的气体温度；利用湿出温度传感器(24)测得湿出口(14)处的气体温度。

5.根据权利要求1所述燃料电池湿度估算方法，其特征在于，所述步骤S1中，还需利用压力传感器(31)测得干入口(11)处的气体压力。

6.一种用于实现如权利要求1所述燃料电池湿度估算方法的估算***，其特征在于，包括电堆(4)、及增湿器(1)，所述增湿器(1)包括干入口(11)、干出口(12)、湿入口(13)及湿出口(14)，所述干出口(12)和湿入口(13)分别与电堆(4)的进口和出口相连通，所述估算***还包括用于检测干入口(11)处气体温度的干入温度传感器(21)、用于检测干出口(12)处气体温度的干出温度传感器(22)、用于检测湿入口(13)处气体温度的湿入温度传感器(23)、及用于检测湿出口(14)处气体温度的湿出温度传感器(24)。

7.根据权利要求6所述估算***，其特征在于，还包括用于检测干入口(11)处的气体压力的压力传感器(31)。

8.根据权利要求6所述估算***，其特征在于，还包括通过中冷器(51)与干入口(11)相连通的空压机(52)、及与湿出口(14)相连通的节气门(6)。