CN113258106B - 一种燃料电池生成水含量的判断方法和控制*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池生成水含量的判断方法和控制***，检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，通过计算获得电堆水含量表征值；根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；调节散热风机和空气压缩机工作状态进入干燥模式，或调节散热风机和空气压缩机工作状态进入加湿模式。本发明使燃料电池在运行过程中能实时且精准的判断质子交换膜的干燥程度，能针对膜干或水淹的情况进行处理，保证质子交换膜的水平衡，从而保证燃料电池高效率运行。

Description

一种燃料电池生成水含量的判断方法和控制***

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池生成水含量的判断方法和控制***。

背景技术

质子交换膜燃料电池中的质子交换膜在工作时必须保证必要的湿度，当燃料电池短期处于水故障情形下，会对性能输出造成直接的影响；当燃料电池发生严重的水故障或长期运行在故障状态下，则将对燃料电池造成损害，而且这些损害一般是难以得到恢复的。当燃料电池阳极发生水淹时，将阻碍氢气的流动和扩散，就会导致局部氢气缺气，在这些区域就会发生其它副电化学反应，造成阴极侧催化层内的碳被腐蚀，腐蚀出现的颗粒或杂质若传输到交换膜的内部，可能会导致电池失效。且膜水淹时会造成电压波动，导致输出功率不稳定。若燃料电池长时间处于膜干的运行状态，则会使质子交换膜电导率降低，欧姆阻抗升高，导致输出功率下降，而且干燥区域会不断扩大，直至影响到整个区域，甚至使交换膜发生干化破裂，对燃料电池造成不可挽回的损害。

目前现有技术中，主要利用装设的水位监测装置来测出燃料电池内部水位变化状况，并进行燃料电池的水管理，但该***结构较为复杂。或是通过将公式求得的燃料电池理论阴极压降与实际压降进行比较，来判断燃料电池处于水淹状态或膜干状态，并通过电磁阀或气液分离器来解决水淹或膜干的问题，但其理论阴极压降难以精确计算。或是通过照度传感器等元件对燃料电池水含量进行检测，并通过自动流量计与燃料电池电压信号调节电控开关阀与调节阀对燃料电池进行吹扫，以保证水平衡，但其需要的传感器数量和类型较多，且对照度传感器的精度要求较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池生成水含量的判断方法和控制***，使燃料电池在运行过程中能实时且精准的判断质子交换膜的干燥程度，能针对膜干或水淹的情况进行处理，保证质子交换膜的水平衡，从而保证燃料电池高效率运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池生成水含量的判断方法，包括步骤：

检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，通过计算获得电堆水含量表征值；

根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围[X1，X2]，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；

当水含量表征值大于水淹阈值X2时，燃料电池电堆的质子交换膜发生水淹，调节散热风机和空气压缩机工作状态进入干燥模式；

当水含量表征值小于膜干阈值X1时，燃料电池电堆的质子交换膜发生膜干，调节散热风机和空气压缩机工作状态进入加湿模式。

进一步的是，所述电堆水含量表征值的计算方法包括步骤：

检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，得到空气侧的压力差值；

根据压力差值计算时间均值；

根据时间均值计算方差值；

将方差值作为电堆水含量表征值。

进一步的是，燃料电池空气侧压力差值P_i的计算方法为电堆空气入口压力传感器的压力P_{air_in}减去电堆空气出口压力传感器的压力P_{air_out}，即：P_i＝P_{air_in}-P_{air_out}；

阴极压力降的时间均值表示为：

阴极压力降的方差进一步表示为：

将方差值作为电堆水含量表征值。

通过实际实验，可以分析出当燃料电池阴极压力降的方差较大时，燃料电池电堆的含水量相对较高，当阴极压力降的方差较小时，燃料电池电堆的含水量相对较低，因此可通过上述计算的方差值作为电堆水含量表征值，能够有效且精准的表示出燃料电池电堆质子交换膜的含水量，从而提高含水量判断的精准度和实时性。

进一步的是，由于当输出功率不变时，空气需求量可计算出为某一固定值，若此时提高空气压缩机转，会导致空气流量增大，从而导致质子交换膜上水分蒸发；反之降低空气压缩机转速时会导致膜上水分积聚；而当电堆内温度偏高时会导致更多的液态水汽化，反之电堆内温度偏低时会导致膜上水蒸气液化。通过主控单元调节空气压缩机转速来调节空气流量，或调节散热风机转速来调节散热量，实现对电堆内温度的控制，以保证燃料电池内的水平衡。

进一步的是，燃料电池电堆的质子交换膜发生膜干时，由主控单元控制空气压缩机降低转速，以减小空气流量，即可减小阴极侧空气出口带出的水分此外；同时，由主控单元控制散热风机提高转速，增大散热量，亦可降低电堆内温度，提高流道内气体相对湿度，从而增加膜上水含量。

进一步的是，燃料电池电堆的质子交换膜发生水淹时，由主控单元控制空气压缩机提高转速，以增加空气流量，即可增加阴极侧空气出口带出的水分；同时，主控单元控制散热风扇的转速减小，降低散热量，使电堆内部温度提高，从而使更多的液态水汽化为水蒸气，被空气带走。

另一方面，本发明还提供了一种燃料电池生成水含量控制***，包括空气压缩机、电堆空气入口压力传感器、电堆空气出口压力传感器、燃料电池电堆、电堆冷却液出口温度传感器、水泵、散热风机和主控单元，空气从空气压缩机流入，在空气压缩机的出口安装电堆空气入口压力传感器，再连接到燃料电池电堆的空气入口，在燃料电池电堆的空气出口安装电堆空气出口压力传感器；在电堆的冷却液出口处安装电堆冷却液出口温度传感器，再连接到散热风机冷却液入口，散热风机冷却液出口连接到水泵入口，水泵出口连接到电堆的冷却液入口；

空气压缩机、水泵和散热风机通过网络与主控单元相连，电堆空气入口压力传感器、电堆空气出口压力传感器、电堆冷却液出口温度传感器与主控单元电连接。

进一步的是，电堆空气入口压力传感器和电堆空气出口压力传感器检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值；主控单元通过计算获得电堆水含量表征值；根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围[X1，X2]，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；当水含量表征值大于水淹阈值X2时，燃料电池电堆的质子交换膜发生水淹，调节散热风机和空气压缩机工作状态进入干燥模式；当水含量表征值小于膜干阈值X1时，燃料电池电堆的质子交换膜发生膜干，调节散热风机和空气压缩机工作状态进入加湿模式；通过主控单元调节空气压缩机转速来调节空气流量，或调节散热风机转速来调节散热量，实现对电堆内温度的控制。

进一步的是，在所述主控单元中计算电堆水含量表征值：检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，得到空气侧的压力差值；根据压力差值计算时间均值；根据时间均值计算方差值；将方差值作为电堆水含量表征值。

进一步的是，燃料电池电堆的质子交换膜发生膜干时，由主控单元控制空气压缩机降低转速，以减小空气流量，即可减小阴极侧空气出口带出的水分此外；同时，由主控单元控制散热风机提高转速，增大散热量，亦可降低电堆内温度，提高流道内气体相对湿度，从而增加膜上水含量；燃料电池电堆的质子交换膜发生水淹时，由主控单元控制空气压缩机提高转速，以增加空气流量，即可增加阴极侧空气出口带出的水分；同时，主控单元控制散热风扇的转速减小，降低散热量，使电堆内部温度提高，从而使更多的液态水汽化为水蒸气，被空气带走。

采用本技术方案的有益效果：

本发明通过检测阴极侧压降，并求出其时间均值与方差，以表征阴极内阻大小，进一步表征阴极侧水含量，通过阴极侧压力降来判断燃料电池生成水含量；并通过控制器控制散热风机转速、空气压缩机转速来进行调节，通过调节散热风机来控制电堆内温度，通过调节空气压缩机转速来控制空气流量，从而控制质子交换膜的水含量；使燃料电池在运行过程中能实时判断质子交换膜的干燥程度，能针对膜干或水淹的情况进行处理，能够有效防止燃料电池发生膜干或水淹，保证燃料电池质子交换膜的水平衡，延长质子交换膜寿命，提高燃料电池工作效率与性能。

本发明无需增加任何额外专用传感器，直接采用现有传感器，对结构无改动，便于批量化实施，在不增加额外传感器的情况下，使燃料电池在运行过程中能实时判断质子交换膜的水含量，能针对膜干或水淹的情况进行处理，保证质子交换膜的水含量在最佳工作范围，延长质子交换膜寿命，提高燃料电池工作效率和性能。

本发明通过根据空气侧压力值经过方差值计算作为电堆水含量表征值，能够有效且精准的表示出燃料电池电堆质子交换膜的含水量，从而提高含水量判断的精准度和实时性，能实时将电堆空气管路的压力降与质子交换膜含水量对应起来，整体控制精度较高，控制周期短。

本发明的控制方法简单，易于实现，且能有效延长质子交换膜的寿命，提高燃料电池的工作效率与性能。

附图说明

图1为本发明的一种燃料电池生成水含量的判断方法流程示意图；

图2为本发明的一种燃料电池生成水含量控制***的结构示意图；

其中，1是空气压缩机，2是电堆空气入口压力传感器，3是燃料电池电堆，4是水泵，5是散热风机，6是电堆冷却液出口温度传感器，7是电堆空气出口压力传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池生成水含量的判断方法，包括步骤：

检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，通过计算获得电堆水含量表征值；

根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围[X1，X2]，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；

当水含量表征值大于水淹阈值X2时，燃料电池电堆3的质子交换膜发生水淹，调节散热风机5和空气压缩机1工作状态进入干燥模式；

当水含量表征值小于膜干阈值X1时，燃料电池电堆3的质子交换膜发生膜干，调节散热风机5和空气压缩机1工作状态进入加湿模式。

作为上述实施例的优化方案，所述电堆水含量表征值的计算方法包括步骤：

检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，得到空气侧的压力差值；

根据压力差值计算时间均值；

根据时间均值计算方差值；

将方差值作为电堆水含量表征值。

其中，燃料电池空气侧压力差值P_i的计算方法为电堆空气入口压力传感器2的压力P_{air_in}减去电堆空气出口压力传感器7的压力P_{air_out}，即：P_i＝P_{air_in}-P_{air_out}；

阴极压力降的时间均值表示为：

阴极压力降的方差进一步表示为：

将方差值作为电堆水含量表征值。

通过实际实验，可以分析出当燃料电池阴极压力降的方差较大时，燃料电池电堆3的含水量相对较高，当阴极压力降的方差较小时，燃料电池电堆3的含水量相对较低，因此可通过上述计算的方差值作为电堆水含量表征值，能够有效且精准的表示出燃料电池电堆3质子交换膜的含水量，从而提高含水量判断的精准度和实时性。

作为上述实施例的优化方案，由于当输出功率不变时，空气需求量可计算出为某一固定值，若此时提高空气压缩机1转，会导致空气流量增大，从而导致质子交换膜上水分蒸发；反之降低空气压缩机1转速时会导致膜上水分积聚；而当电堆内温度偏高时会导致更多的液态水汽化，反之电堆内温度偏低时会导致膜上水蒸气液化。通过主控单元调节空气压缩机1转速来调节空气流量，或调节散热风机5转速来调节散热量，实现对电堆内温度的控制，以保证燃料电池内的水平衡。

其中，燃料电池电堆3的质子交换膜发生膜干时，由主控单元控制空气压缩机1降低转速，以减小空气流量，即可减小阴极侧空气出口带出的水分此外；同时，由主控单元控制散热风机5提高转速，增大散热量，亦可降低电堆内温度，提高流道内气体相对湿度，从而增加膜上水含量。

其中，燃料电池电堆3的质子交换膜发生水淹时，由主控单元控制空气压缩机1提高转速，以增加空气流量，即可增加阴极侧空气出口带出的水分；同时，主控单元控制散热风扇的转速减小，降低散热量，使电堆内部温度提高，从而使更多的液态水汽化为水蒸气，被空气带走。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图2所示，本发明还提供了一种燃料电池生成水含量控制***，包括空气压缩机1、电堆空气入口压力传感器2、电堆空气出口压力传感器7、燃料电池电堆3、电堆冷却液出口温度传感器6、水泵4、散热风机5和主控单元，空气从空气压缩机1流入，在空气压缩机1的出口安装电堆空气入口压力传感器2，再连接到燃料电池电堆3的空气入口，在燃料电池电堆3的空气出口安装电堆空气出口压力传感器7；在电堆的冷却液出口处安装电堆冷却液出口温度传感器6，再连接到散热风机5冷却液入口，散热风机5冷却液出口连接到水泵4入口，水泵4出口连接到电堆的冷却液入口；

空气压缩机1、水泵4和散热风机5通过网络与主控单元相连，电堆空气入口压力传感器2、电堆空气出口压力传感器7、电堆冷却液出口温度传感器6与主控单元电连接。

作为上述实施例的优化方案，电堆空气入口压力传感器2和电堆空气出口压力传感器7检测燃料电池电堆3空气入口和空气出口的压力值；主控单元通过计算获得电堆水含量表征值；根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围[X1，X2]，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；当水含量表征值大于水淹阈值X2时，燃料电池电堆3的质子交换膜发生水淹，调节散热风机5和空气压缩机1工作状态进入干燥模式；当水含量表征值小于膜干阈值X1时，燃料电池电堆3的质子交换膜发生膜干，调节散热风机5和空气压缩机1工作状态进入加湿模式；通过主控单元调节空气压缩机1转速来调节空气流量，或调节散热风机5转速来调节散热量，实现对电堆内温度的控制。

在所述主控单元中计算电堆水含量表征值：检测燃料电池电堆3空气入口和空气出口的压力值，得到空气侧的压力差值；根据压力差值计算时间均值；根据时间均值计算方差值；将方差值作为电堆水含量表征值。

燃料电池电堆3的质子交换膜发生膜干时，由主控单元控制空气压缩机1降低转速，以减小空气流量，即可减小阴极侧空气出口带出的水分此外；同时，由主控单元控制散热风机5提高转速，增大散热量，亦可降低电堆内温度，提高流道内气体相对湿度，从而增加膜上水含量；燃料电池电堆3的质子交换膜发生水淹时，由主控单元控制空气压缩机1提高转速，以增加空气流量，即可增加阴极侧空气出口带出的水分；同时，主控单元控制散热风扇的转速减小，降低散热量，使电堆内部温度提高，从而使更多的液态水汽化为水蒸气，被空气带走。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种燃料电池生成水含量的判断方法，其特征在于，包括步骤：

检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，通过计算获得电堆质子交换膜的水含量表征值；

根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围[X1，X2]，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；

通过主控单元调节空气压缩机(1)转速来调节空气流量，或调节散热风机(5)转速来调节散热量，实现对电堆内温度的控制；

当水含量表征值大于水淹阈值X2时，燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生水淹，调节散热风机(5)和空气压缩机(1)工作状态进入干燥模式；燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生水淹时，由主控单元控制空气压缩机(1)提高转速；同时，主控单元控制散热风扇的转速减小；

当水含量表征值小于膜干阈值X1时，燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生膜干，调节散热风机(5)和空气压缩机(1)工作状态进入加湿模式；燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生膜干时，由主控单元控制空气压缩机(1)降低转速；同时，由主控单元控制散热风机(5)提高转速。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池生成水含量的判断方法，其特征在于，所述电堆水含量表征值的计算方法包括步骤：

检测燃料电池电堆空气入口和空气出口的压力值，得到空气侧的压力差值；

根据压力差值计算时间均值；

根据时间均值计算方差值；

将方差值作为电堆水含量表征值。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池生成水含量的判断方法，其特征在于，燃料电池空气侧压力差值P_i的计算方法为电堆空气入口压力传感器(2)的压力P_{air_in}减去电堆空气出口压力传感器(7)的压力P_{air_out}，即：P_i＝P_{air_in}-P_{air_out}；

阴极压力降的时间均值表示为：

阴极压力降的方差进一步表示为：

将方差值作为电堆水含量表征值。

4.一种燃料电池生成水含量控制***，其特征在于，包括空气压缩机(1)、电堆空气入口压力传感器(2)、电堆空气出口压力传感器(7)、燃料电池电堆(3)、电堆冷却液出口温度传感器(6)、水泵(4)、散热风机(5)和主控单元，空气从空气压缩机(1)流入，在空气压缩机(1)的出口安装电堆空气入口压力传感器(2)，再连接到燃料电池电堆(3)的空气入口，在燃料电池电堆(3)的空气出口安装电堆空气出口压力传感器(7)；在电堆的冷却液出口处安装电堆冷却液出口温度传感器(6)，再连接到散热风机(5)冷却液入口，散热风机(5)冷却液出口连接到水泵(4)入口，水泵(4)出口连接到电堆的冷却液入口；

空气压缩机(1)、水泵(4)和散热风机(5)通过网络与主控单元相连，电堆空气入口压力传感器(2)、电堆空气出口压力传感器(7)、电堆冷却液出口温度传感器(6)与主控单元电连接；

电堆空气入口压力传感器(2)和电堆空气出口压力传感器(7)检测燃料电池电堆(3)空气入口和空气出口的压力值；主控单元通过计算获得电堆水含量表征值；根据所使用燃料电池的自身参数，设定燃料电池正常工作的含水量范围[X1，X2]，根据含水量范围对水含量表征值进行判断；通过主控单元调节空气压缩机(1)转速来调节空气流量，或调节散热风机(5)转速来调节散热量，实现对电堆内温度的控制；

当水含量表征值大于水淹阈值X2时，燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生水淹，调节散热风机(5)和空气压缩机(1)工作状态进入干燥模式；燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生水淹时，由主控单元控制空气压缩机(1)提高转速；同时，主控单元控制散热风扇的转速减小；

当水含量表征值小于膜干阈值X1时，燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生膜干，调节散热风机(5)和空气压缩机(1)工作状态进入加湿模式；燃料电池电堆(3)的质子交换膜发生膜干时，由主控单元控制空气压缩机(1)降低转速；同时，由主控单元控制散热风机(5)提高转速；

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池生成水含量控制***，其特征在于，在所述主控单元中计算电堆水含量表征值：检测燃料电池电堆(3)空气入口和空气出口的压力值，得到空气侧的压力差值；根据压力差值计算时间均值；根据时间均值计算方差值；将方差值作为电堆水含量表征值。

Images