一种燃料电池膜含水量闭环管理方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，属于燃料电池技术领域，通过实时测量燃料电池的膜含水量当前值，得到膜含水量的偏差值，经死区控制和PI控制后获得膜含水量调控量，再采用分级控制方法获得燃料电池的阴极进气湿度调控量、电堆运行温度调控量和空气计量比调控量，进而实现对燃料电池膜含水量的控制。本发明专利技术按优先级顺序控制阴极进气湿度、电堆运行温度和阴极空气计量比，实现快速及最小代价地调控含水量，以提高运行能效，同时实现对膜含水量的精准调控，避免膜干和水淹故障，提高系统的可靠性和耐久性。提高系统的可靠性和耐久性。提高系统的可靠性和耐久性。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池膜含水量闭环管理方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种燃料电池膜含水量闭环管理方法。

技术介绍

[0002]近年来，质子交换膜燃料电池的商业化正在加速发展。规模化的市场应用对燃料电池系统的可靠性和耐久性提出了更高的要求。统计表明，燃料电池故障及寿命衰退的重要因素是不良的膜含水量管理；其中，膜干和水淹故障是主要的影响因素。当质子交换膜过干时，其质子传导性降低，欧姆损耗增加，电堆输出电压性能下降。长期膜干将导致质子交换膜产生局部热点穿孔、性能退化等不可逆的损坏。当堆内湿度过高时，液态水在电堆催化层、气体扩散层以及流道内聚集，造成孔隙率减小、电极表面堵塞，反应气体传输受阻，产生水淹故障。水淹故障一方面引起反应面积减少，使电堆输出性能下降，另一方面引起局部缺气，电池电压反极，对膜电极组件产生不可逆的伤害。
[0003]为了确保输出性能、稳定性和使用寿命，在电堆运行过程中，集成系统设计及控制策略需确保质子交换膜保持在合适的湿度水平，一方面具有良好的质子传导率及较低的欧姆损耗，另一方面不至于让液态水聚集，堵塞流道。本专利技术提出了一种燃料电池系统的闭环水管理方法，系统实时测量燃料电池电堆的膜含水量，根据本专利技术提出的闭环水管理方法，改变燃料电池系统的阴极进气湿度、电堆运行温度、阴极空气计量比，从而调控燃料电池电堆的膜含水量。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，通过控制燃料电池的阴极进气湿度、电堆运行温度和阴极空气计量比，使膜含水量在燃料电池运行过程中保持在正常范围内，从而提高燃料电池的运行能效、系统可靠性和使用寿命。
[0005]本专利技术具体技术方案如下：
[0006]一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：测量获取燃料电池的膜含水量当前值S
mea
，与预设的膜含水量设定值S
set
作差，得到膜含水量的偏差值ΔS＝S
set
‑
S
mea
；
[0008]步骤2：对膜含水量的偏差值ΔS进行死区控制，得到死区控制量ΔS
limit
，计算公式为：
[0009][0010]其中，λ为预设的死区控制参数，λ≥0；
[0011]步骤3：基于PI(比例积分)控制原理，将死区控制量ΔS
limit
转换为膜含水量调控量O
set
；
[0012]步骤4：根据膜含水量调控量O
set
，采用分级控制方法对燃料电池的阴极进气湿度、
电堆运行温度和空气计量比进行控制，获得对应的阴极进气湿度调控量f
RH
(O
set
)、电堆运行温度调控量f
T
(O
set
)和空气计量比调控量f
St
(O
set
)；
[0013]所述分级控制方法的控制规则如下：
[0014][0015]其中，RH
min
和RH
max
分别为预设的阴极进气湿度的最小值与最大值；T
min
和T
max
分别为预设的电堆运行温度的最小值与最大值；St
min
和St
max
分别为预设的空气计量比的最小值与最大值；T
normal
为燃料电池说明书标注的电堆运行温度典型值；St
normal
为燃料电池说明书标注的空气计量比典型值；k1为阴极进气湿度在受控区间[χ，δ)内的变化率；k2为电堆运行温度在受控区间[β，χ)和[δ，ε)内的变化率；k3为空气计量比在受控区间[α，β)和[ε，φ)内的变化率；k1、k2和k3均通过实验测得；α、β、χ、δ、ε和φ均为膜含水量调控量O
set
在不同调控区间的边界值，通过下述公式计算得到：
[0016][0017]步骤5：根据阴极进气湿度调控量f
RH
(O
set
)、电堆运行温度调控量f
T
(O
set
)和空气计量比调控量f
St
(O
set
)，对应控制燃料电池的阴极进气湿度、电堆运行温度和空气计量比，从
而实现对燃料电池膜含水量的控制。
[0018]进一步地，步骤1中所述燃料电池的膜含水量当前值S
mea
，通过测量燃料电池的交流阻抗谱或局部阻抗信息获得。
[0019]进一步地，步骤2中将死区控制量ΔS
limit
转换为膜含水量调控量O
set
的PI控制传递函数为：
[0020][0021]其中，K
p
和K
i
分别为PI控制的比例参数和积分参数；s＝jω，j为虚数单位，ω为角频率，表明该传递函数为频域内的表现形式。
[0022]进一步地，步骤4中k1、k2和k3均通过燃料电池膜含水量敏感性实验测得，具体为：在燃料电池稳态运行的条件下，保持其它运行条件不变，分别仅改变阴极进气湿度ΔRH
set
、电堆运行温度ΔT
set
和空气计量比ΔSt
set
；待燃料电池的膜含水量当前值S
mea
稳定后，分别记录仅改变阴极进气湿度ΔRH
set
对应的膜含水量变化量ΔS
RH
、仅改变电堆运行温度ΔT
set
对应的膜含水量变化量ΔS
T
和仅改变空气计量比ΔSt
set
对应的膜含水量变化量ΔS
St
；进而获得燃料电池膜含水量在三种运行条件下的敏感度：ΔS
RH
/ΔRH
set
、ΔS
T
/ΔT
set
和ΔS
Q
/ΔQ
set
，分别对应k1、k2和k3。
[0023]进一步地，要求所述燃料电池在0.4～0.7A/cm2的电流密度下稳态运行。
[0024]本专利技术的有益效果为：
[0025]1、本专利技术提出了一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，通过实时测量燃料电池的膜含水量，实时调控燃料电池的阴极进气湿度、电堆运行温度和阴极空气计量比，使膜含水量在燃料电池运行过程中保持在正常范围内，实现对膜含水量的精准调控，避免膜干和水淹故障，提高系统的可靠性和耐久性；
[0026]2、本专利技术按优先级顺序控制阴极进气湿度、电堆运行温度和阴极空气计量比，实现快速及最小代价地调控含水量，提高运行能效，避免因为空气计量比的大幅波动而增加空压机损耗；
[0027]3、本专利技术将燃料电池的阴极进气湿度，电堆运行温度及空气计量比三种调控手段有机融合，形成了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池膜含水量闭环管理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：测量获取燃料电池的膜含水量当前值S
mea
，与预设的膜含水量设定值S
set
作差，得到膜含水量的偏差值ΔS＝S
set
‑
S
mea
；步骤2：对膜含水量的偏差值ΔS进行死区控制，得到死区控制量ΔS
limit
，计算公式为：其中，λ为预设的死区控制参数，λ≥0；步骤3：基于PI控制原理，将死区控制量ΔS
limit
转换为膜含水量调控量O
set
；步骤4：根据膜含水量调控量O
set
，采用分级控制方法对燃料电池的阴极进气湿度、电堆运行温度和空气计量比进行控制，获得对应的阴极进气湿度调控量f
RH
(O
set
)、电堆运行温度调控量f
T
(O
set
)和空气计量比调控量f
St
(O
set
)；所述分级控制方法的控制规则如下：其中，RH
min
和RH
max
分别为预设的阴极进气湿度的最小值与最大值；T
min
和T
max
分别为预设的电堆运行温度的最小值与最大值；St
min
和St
max
分别为预设的空气计量比的最小值与最大值；T
normal
为电堆运行温度典型值；St
normal
为空气计量比典型值；k1为阴极进气湿度在受控区间[χ，δ)内的变化率；k2为电堆运行温度在受控区间[β，χ)和[δ，ε)内的变化率；k3为空气计量比在受控区间[α，β)和[ε，φ)内的变化率；k1、k2和k3均通过实验测得；α、β、χ、δ、ε和φ通过下述公式计算得到：
步骤5：根据阴极进气湿度调控量f
RH
(O
set
)、电堆运行温度调控量f
T
(O
set
)和空气计量比调控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王仁康，徐新杰，曹继申，李凯，汤浩，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：