一種水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的狀態(tài)監(jiān)控方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的狀態(tài)監(jiān)控方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 能源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的命脈。近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗日益增 加，傳統(tǒng)的能源資源日益減少，能源價(jià)格不斷創(chuàng)出歷史新高。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也帶來 了嚴(yán)重的環(huán)境問題，利用清潔能源和可再生能源已成為世界能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。燃料電 池良好的操作性能、發(fā)電環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)使其成為最具有發(fā)展前景的一種清潔能源。質(zhì)子 交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作為燃料電池的一種，具 有運(yùn)行溫度低、功率密度高、響應(yīng)快、啟動(dòng)快、穩(wěn)定性好W及使用純氨氣時(shí)不會(huì)造成環(huán)境污 染等優(yōu)點(diǎn)，有著光明的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
[0003] PEMFC的輸出主要有活化損失、歐姆損失和濃差損失。按照=種損失在不同的工作 階段所占比重的大小，對(duì)應(yīng)著將整個(gè)PEMFC系統(tǒng)的V-I輸出特性曲線分成了S段，即活化段 I、歐姆段II和濃差段IIK如附圖2所示）。"水淹"和"膜干"是當(dāng)前影響質(zhì)子交換膜燃料電池 系統(tǒng)工作性能和可靠性的突出問題，燃料電池長(zhǎng)時(shí)間工作在活化段I，很容易失水導(dǎo)致陽(yáng)極 "膜干"。燃料電池長(zhǎng)時(shí)間工作在濃差段III，很容易導(dǎo)致陰極"水淹"。而燃料電池工作在歐 姆段，不僅工作穩(wěn)定，而且電壓損耗低，發(fā)電效率高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，廠家給定的PEMFC輸出功 率適宜范圍均在歐姆段。本文主要目的是控制PEMFC工作在歐姆段，有效地降低了質(zhì)子交換 膜的水淹和膜干的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明是鑒于上述問題作出的，目的在于簡(jiǎn)化現(xiàn)有的復(fù)雜控制策略，提出一種能 使燃料電池工作在歐姆段的準(zhǔn)確控制方法，該控制方法能夠根據(jù)當(dāng)前的輸出狀態(tài)及時(shí)地調(diào) 整燃料電池單元內(nèi)的含水量及電堆的溫度等操作條件，從而使得燃料電池工作在一個(gè)穩(wěn) 定、安全的狀態(tài)。
[0005] 如附圖2所示為質(zhì)子交換膜燃料電池的理想V-I特性曲線?；罨蜪和濃差段HI運(yùn) 兩條曲線的斜率的大小要遠(yuǎn)大于歐姆段(近似直線）的斜率的大小，而且活化段I和濃差段 III運(yùn)兩條曲線的斜率相差不大?；谶\(yùn)個(gè)普遍的規(guī)律，本發(fā)明提出，通過控制PEMFC輸出的 V-I特性曲線的斜率大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池的準(zhǔn)確控制，即在PEMFC啟動(dòng)之前，通過給電堆 預(yù)先升溫來提高它的電化學(xué)反應(yīng)速率，使其在啟動(dòng)初期快速達(dá)到歐姆段;在PEMFC工作一段 時(shí)間后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PEMFC的工作狀態(tài)，并控制其工作在歐姆段。
[0006] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明所述的燃料電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)包括W下步驟： 步驟一:給電堆預(yù)熱。
[0007] 在啟動(dòng)PEMFC之前，通過水循環(huán)系統(tǒng)將電堆溫度升高至最佳工作溫度值。
[000引步驟二:計(jì)算V-I特性曲線在不同電流密度下的斜率k大小并確定PEMFC工作狀態(tài)。 [0009] PEMFC在工作過程中，其理想輸出應(yīng)為電化學(xué)電動(dòng)勢(shì)，由于存在不可逆損失，電池 輸出電壓會(huì)隨之下降。實(shí)際上，燃料電池的不可逆電壓損失就是極化過電壓，主要由活化極 化作用、歐姆極化作用和濃差極化作用引起。其輸出電壓可表示為：
[0010] U = E〇c-a-bln(i)-i ? r-m ? e(ni) (I)
[00川其中，日=-1^/日11本*111(1日)為常數(shù)，與交換電流密度1日、電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)日^及每摩爾 反應(yīng)物的交換質(zhì)子數(shù)no有關(guān)。b = RT/anoF為hf e 1斜率。普適氣體常數(shù)R = 8.314J/K ? mo 1。法 拉第常數(shù)F = 96486C/mol J為單位面積歐姆內(nèi)阻。i為電流密度，imax = 1.2A ? CHf2em、n為擬 合常數(shù)。
[0012] 對(duì)U求導(dǎo)數(shù)得出斜率k:
(2)
[0014]求出理想V-I特性曲線的拐點(diǎn)：
[001引對(duì)斜率k求導(dǎo)數(shù)，得：
(3)
[0016]令 k/=0 得到拐點(diǎn) Q(iQ，UQ)。
[0017]如附圖2所示，連接Q點(diǎn)和理想V-I特性曲線與兩坐標(biāo)軸的交點(diǎn)，得至順條線段，分 別求理想V-I特性曲線到兩條線段距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)，得到理想V-I特性曲線的分段點(diǎn)ial和ibl。 從而確定陽(yáng)MFC的工作區(qū)間(0，ial)，（ial，ibl)和（ibl，imax)，運(yùn)S個(gè)區(qū)間分別對(duì)應(yīng)活化段、歐 姆段和濃差段。
[001引根據(jù)當(dāng)前輸出電流大小及斜率值確定PEMFC工作狀態(tài)：由幾何知識(shí)可知拐點(diǎn)Q必在 歐姆段上，則WQ點(diǎn)的斜率ko為基準(zhǔn)值，測(cè)得當(dāng)前V-I輸出特性曲線斜率ki，求出A k= I ko-ki 。如附圖4為燃料電池在最佳溫度t = 60°C時(shí)的k-i仿真曲線，根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)可知，在電流密 度i E (ial，ibl)，任意兩點(diǎn)間A k的大小嚴(yán)格遵守A k。。則根據(jù)A k和當(dāng)前電流密度ii的范 圍，確定W下判斷標(biāo)準(zhǔn)：
[0019] (1)0< Ak<l，則燃料電池工作在歐姆段；
[0020] (2) Ak>l，則燃料電池工作在活化段或者濃差段，繼續(xù)做如下判斷：
[0021] ①如果he (0, ial)，貝IJPEMFC工作在活化段；
[0022] ②如果il e (ibi，imax)，則PEMFC工作在濃差段。
[0023] 步驟針對(duì)不同的工作段制定相應(yīng)的控制策略。
[0024] 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集得到的斜率k和電流密度i的信息發(fā)送至系統(tǒng)控制器，控制器 計(jì)算得到斜率k與預(yù)設(shè)斜率基準(zhǔn)值ko的偏差A(yù) k。
[002引（1)當(dāng)0含Ak。時(shí)，說明當(dāng)前PEMFC工作在歐姆段，系統(tǒng)穩(wěn)定。
[0026] (2)當(dāng)Ak>l時(shí)，則分情況產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)：
[0027] ①若PEMFC工作在活化段，此時(shí)燃料電池電化學(xué)反應(yīng)速率較慢，可W通過施加控制 信號(hào)來增加 PEMFC電堆的溫度，同時(shí)增加電堆反應(yīng)氣體入口壓力W及控制氨氣和空氣的計(jì) 量比。使得A k減小，直至0含A k含1，燃料電池工作在歐姆段；
[0028] ②若PEMFC工作在濃差段，此時(shí)PEMFC系統(tǒng)輸出的電流密度較大，反應(yīng)速率較快，溫 度很高，陰極生成大量的水。應(yīng)該通過控制水循環(huán)系統(tǒng)來降低電堆的溫度，減小排水口的排 水周期，增加出氣口的開度。使得A k減小，直至0 < A k < 1，燃料電池恢復(fù)到歐姆段。
[0029] 本發(fā)明所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池電堆、氨氣供氣管路系統(tǒng)、空氣供氣管路 系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、尾氣排放系統(tǒng)、阻抗測(cè)試系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)；
[0030] 燃料電池電堆作為電力產(chǎn)生的核屯、部件，包括一個(gè)氨氣進(jìn)氣口 1、一個(gè)空氣進(jìn)氣口 2、一個(gè)水循環(huán)進(jìn)水口 3、一個(gè)尾氣排放口 4、一個(gè)水循環(huán)出水口 5、一個(gè)電壓檢測(cè)口 6、一個(gè)溫 度檢測(cè)口 7。其中電壓檢測(cè)口 6放置一個(gè)電壓變送器，溫度檢測(cè)口 7放置一個(gè)溫度傳感器b。
[0031] 氨氣供氣管路系統(tǒng)從左到右包括氨氣瓶、減壓閥、電磁閥a、電磁流量計(jì)a、增濕器 a。其中氨氣瓶的輸出端接減壓閥，減壓閥輸出端接電磁閥a輸入端，電磁閥a輸出端接電磁 流量計(jì)a輸入端，電磁流量計(jì)a輸出端接增濕器a的輸入端，增濕器a的輸出端接電堆的氨氣 進(jìn)氣口 1。氨氣供氣管路系統(tǒng)主要為電堆提供氨氣，通過減壓閥可W調(diào)節(jié)氨氣的壓力，通過 控制器輸出控制信號(hào)來調(diào)節(jié)電磁閥a和電磁流量計(jì)a,從而控制進(jìn)入電堆氨氣的流量。
[0032] 空氣供氣管路系統(tǒng)從左到右包括空氣壓縮機(jī)、電磁閥b、電磁流量計(jì)b、增濕器b。其 中空氣壓縮機(jī)的輸出端接電磁閥b輸入端，電磁閥b輸