[发明专利]利用膜加湿器实现燃料电池进气加湿的建模方法

摘要

本发明提出了一种利用膜加湿器实现燃料电池进气加湿的建模方法，建立了一维平板式膜加湿器的瞬态仿真模型，模型的控制方程包括：膜中含水量、流道中水蒸气、湿润侧流道中液态水以及能量等四个守恒方程。利用燃料电池堆高热高湿尾气对入口处低温干燥反应气体进行加湿，充分考虑了加湿器内部的水热耦合传输过程，水蒸气、液态水以及膜态水之间的相变过程以及水气联合加湿作用。模型基于显示格式更新算法，控制方程在各层中心处求解，计算效率高且能够保证足够的模型精度。膜加湿器模型能够实现与电堆的耦合，通过边界条件的设定，构建完善的加湿系统，作为系统的传热传质分析、结构优化以及选型的数值仿真工具，对于实际产品开发具有很强的指导意义。

主权项

1.利用膜加湿器实现燃料电池进气加湿的建模方法，其特征在于：建立一维平板式膜加湿器的瞬态仿真模型，模型的控制方程包括膜中含水量守恒方程、流道中水蒸气守恒方程、湿润侧流道中液态水守恒方程以及能量守恒方程，所建立的每个控制方程具体步骤如下：(1)膜中含水量守恒方程式中分别表示t时刻湿润侧膜与干燥侧膜的含水量，分别表示t‑Δt时刻湿润侧膜与干燥侧膜含水量，δ_MEM表示质子交换膜厚度，EW表示膜的当量质量，ρ_MEM表示质子交换膜密度，Δt表示时间步长大小，表示干湿两侧膜中水的有效扩散系数，D_m表示扩散系数，计算表达式如下：式中与分别表示干燥侧与湿润侧水的扩散系数，计算出对应的扩散系数后，可以求解出平均有效扩散系数S_MH,mw表示膜态水的源项，计算表达式如下：式中Sm‑v表示膜态水与水蒸气之间的相变源项，SMH,per表示由于水力渗透作用从湿润侧传输到干燥侧的源项，Sm‑v的数值根据膜中水含量λ及当量水含量λeq来计算：式中ξm‑v表示膜态水与水蒸气的相变速率，a表示水活性，cvp表示流道中水蒸气浓度，csat表示流道内对应温度下的饱和水蒸气浓度，psat表示饱和蒸气压，R表示理想气体常数，T为流道中气体温度，水力渗透源项SMH,per的计算表达式如下：式中ρlq表示液态水密度，Kper表示水力渗透系数，pl,wet，pl,dry分别表示湿润侧、干燥侧的液压大小，干燥侧不考虑液态水的存在，μlq表示液态水动力粘度，其计算表达式如下：(2)流道中水蒸气守恒方程流道中涉及到的水蒸气浓度分为入口浓度、流道中浓度、出口浓度，流道中浓度的计算如下：式中和分别表示t时刻湿润侧与干燥侧流道中的水蒸气浓度，和分别表示t‑Δt时刻湿润侧与干燥侧流道中的水蒸气浓度，S_MH,vp表示流道中水蒸气的源项，包括膜态水与水蒸气的相变源项S_m‑v、液态水与水蒸气的相变源项S_v‑l以及流道进出口的水蒸气含量的增量S_vp,flow：式中相变源项Sv‑l的计算表达式如下：式中ξv‑l、ξl‑v表示液态水与水蒸气之间的相变速率，slq表示液态水的体积分数，流道中水蒸气的增量计算如下：式中AMH,in表示流道入口截面积大小，AMH表示膜加湿器面积，rCH表示膜加湿器流道宽度与总宽度的比值，cvp,in和cvp,out分别表示流道内水蒸气的进出口浓度，uin与uout分别表示流道内气体进出口流速；(3)湿润侧流道中液态水守恒方程模型中湿润侧流道中液态水计算采取简化的方法，干燥侧流道中仅仅考虑水蒸气的存在，式中表示t时刻湿润侧流道中液态水体积分数，S_MH,lq表示液态水的源项，其计算表达式如下：液态水的源项包括水蒸气的相变源项以及流道进出口的对流项，uratio表示气液流速比；(4)能量守恒方程膜加湿器中温度的计算方式采用显式格式，具体如下：式中分别表示t时刻湿润侧流道、交换膜与干燥侧流道的温度，分别对应t‑Δt时刻的温度值，表示湿润侧流道与膜的有效导热系数，表示干燥侧流道与膜的有效导热系数，h_surr表示膜加湿器与环境的换热系数，T_surr表示环境温度，ρc_p表示密度比热容，S_T表示热源项：由于膜态水向水蒸气相变过程中存在相变换热，所以计算中予以考虑，式中hcond表示蒸发潜热，Qgas表示气体通过膜加湿器时所引入或带走的热量，每种气体组分都需要涉及到，以下仅列举流道中水蒸气的计算：通过上述方程的求解，即可建立完整的一维瞬态膜加湿器模型，根据膜加湿器定义的初始参数以及系统向膜加湿器输入的参数，就可以求解出膜加湿器出口水蒸气浓度、温度、膜态水含量、以及相对湿度参数，然后将输出参数反馈给系统，实现加湿系统与燃料电池堆的耦合。