一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，所述燃料电池发动机包括质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池包括扩散层、催化层和质子交换膜，催化层一侧设有所述扩散层，另一侧设有质子交换膜，催化层由催化剂和离聚物组成，催化剂之间设有若干个孔隙，催化剂周围设有离聚物。本发明专利技术根据电堆本身的材质特性，从微观层面的结合水总量进行评估，一方面可以细致评估电堆内部水平衡状态，另一方面给后续建模计算中提供了计算支持，不需要额外架设更多的硬件设备，从结构原理层面分析电堆工作状态，节省系统成本，可满足在基础系统参数采集的状态下，对电堆内部流到内的催化剂水平衡状态进行细致跟踪。流到内的催化剂水平衡状态进行细致跟踪。流到内的催化剂水平衡状态进行细致跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别涉及一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法。

技术介绍

[0002]随着燃料电池技术发展，拓展燃料电池系统的应用环境（包括温度、海拔等）成了重要的发展方向；相比于锂电池车，燃料电池可在低温状态下支持正常的运行功率成为该技术方案的优势之一；为了达成低于0℃的环境运行，系统的冻融启动过程尤为关键；在冻融启动过程中，电堆低功率运行产生的液态水在冷却流道内受环境低温影响结冰，填充催化层中用于反应气体渗透的孔隙，会有让系统无法正常启动的风险存在；同时，在同样模块部署在不同应用载体、应用环境状态下，需要针对当前环境、运行功率进行数值调整；所以，需要建立针对冻融启动过程中的计算模型，以更精确的方式对系统冻融启动的运行工况、运行环境、电堆材质特性进行分析，并提供给控制模块作为当前环境状态下的自适应控制依据，避免出现系统因冻融启动中拉在产生的水结冰而导致启动失败现象，提升系统稳定性和温度适应性。
[0003]现有的产品方案，电堆本身对于冻融启动的适应性较低，如无辅热启动过程，在低温环境状态下，电堆本身在温度较低状态下对最高拉载档位有一定限制，产热量较低，整体启动时间会较长；若采用辅热启动的方案，则在系统正式启动前需要进行额外的能量消耗，除系统产品外，应用场景中还会有其他电气设备同样需要额外功率辅助启动，在系统未上升到稳定运行工况状态，对集成应用上的能量需求较高。
[0004]若采用阻抗设备对电堆内部水平衡状态进行检测采集，并依此作为控制依据时，则需要在硬件方面增加该功能的支持，在成本、系统复杂程度提升了更高的门槛；在不具备该硬件方案的状态下，对电堆内部流道内的电堆催化剂水平和状态无法通过直观参数对微观层级的状态进行跟踪，并且在现有平台式模块开发的方案下，由于模块有适配多地理位置、海拔、应用场景的需求，在未设置与外界环境交互的输入的状况下，冻融启动过程的参数设定单一，系统缺少依据支持不同低温运行条件下自适应启动功能。
[0005]现有技术还缺少一定程度的判断方案，如缺少判断电堆是否具备启动条件，以及判断电堆何时完成预热过程；在实际系统的应用中，低温冷机启动的状态与前一次的关机状态有较大的关系，不同的工况运行条件、环境条件都会形成电堆内部不同的水平衡条件，若默认电堆的启动状态保持一致，或根据固定启动时间判断已完成启动程序，在不具备启动条件是根据程序直接进行拉载，则会有一定风险影响电堆的使用寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，以克服现有技术中的不足。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
本申请公开了一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，所述燃料电池发动机包括质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池包括扩散层、催化层和质子交换膜，所述催化层一侧设有所述扩散层，所述催化层另一侧设有所述质子交换膜，所述催化层由催化剂和离聚物组成，所述催化剂之间设有若干个孔隙，所述催化剂周围设有离聚物；所述方法包括如下步骤：S1：通过质子交换膜的参数、催化层的参数和质子交换膜燃料电池的电堆电流数据，计算取得质子交换膜燃料电池的电堆内部可以作为结合水存在的水分子数和水的生成量；S2：获取质子交换膜燃料电池的电堆冻融启动过程中温度升至0
°
C的时间点，结合质子交换膜的膜电极参数、催化层的参数，计算取得在冻融启动过程中对结冰的包容度，判断是否满足冻融启动需求；S3：开始冻融启动，通过催化层的参数、质子交换膜燃料电池的电堆的参数、最大结冰摩尔数、对结冰的包容度，进行评估判断是否满足热力学第一定律，若满足，则继续；反之，则立即停止。
[0008]作为优选，所述质子交换膜材料为全氟磺酸溶液（PFSA）。
[0009]作为优选，所述S1包括如下步骤：S11：获取催化层中质子交换膜的体积占比、催化层厚度、催化层中的有效反应面积，计算取得质子交换膜的有效反应体积；S12：获取质子交换膜的摩尔质量、质子交换膜的密度，计算取得质子交换膜的摩尔体积；S13：获取质子交换膜中的初始水含量，计算取得可以作为结合水存在的水分子数；S14：获取燃料电池电堆电流数据，计算取得燃料电池氢氧反应过程中水的生成量。
[0010]作为优选，所述S2包括如下步骤：S21：获取膜电极的孔隙率，通过膜电极的孔隙率、催化层厚度、催化层中的有效反应面积进行计算取得最大结冰体积；S22：获取冰的密度、冰的摩尔质量，通过最大结冰体积、冰的密度、冰的摩尔质量计算取得最大结冰摩尔数；S23：获取膜电极的温度，通过膜电极的温度和水的生成量进行计算取得水的结冰量；S24：获取冰在气孔中生成的时间点和温度升至0
°
C的时间点，通过最大结冰摩尔数、水的结冰量、冰在气孔中生成的时间点、温度升至0
°
C的时间点进行计算取得在冻融启动过程中对结冰的包容度；S25：对结冰包容度进行判断，若其数值大于0时，可启动成功，进入S4；若其数值小于0时，启动失败，不予响应。
[0011]作为优选，所述S3包括如下步骤：S31：获取空气的定压比热容、氢气的定压比热容、空气入口质量流量、氢气入口质量流量、空气进口温度、氢气进口温度、空气出口温度、氢气出口温度，通过计算取得空气交
换热能、氢气交换热能；S32：获取质子交换膜燃料电池的电堆电流、最大结冰摩尔数、对结冰的包容度、催化层中的有效反应面积，并通过计算取得等效电流密度；S33：通过等效电流密度，计算获得燃料电池电堆电压；S34：获取能斯脱电压、燃料电池电堆电压，通过能斯脱电压、质子交换膜燃料电池的电堆电压、质子交换膜燃料电池的电堆电流计算可得在电化学反应中的燃料电池电堆反应产生热；S35：开始冻融启动，并基于热力学第一定律，进行评估，若空气交换热能、氢气交换热能、质子交换膜燃料电池的电堆反应产生热满足热力学第一定律，则继续启动；反之，则不予响应。
[0012]本申请还公开了一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述的一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法。
[0013]本申请还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时,实现上述的一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法。
[0014]本专利技术的有益效果：（1）、根据电堆本身的材质特性，从微观层面的结合水总量进行评估，针对当前选用电堆对应的材质特性，可以较为精确的评估电堆内部的形成的结合水总水量，一方面可以细致评估电堆内部水平衡状态，另一方面给后续建模计算中提供了计算支持，不需要额外架设更多的硬件设备，从结构原理层面分析电堆工作状态，节省系统成本，可满足在基础系统参数采集的状态下，对电堆内部流到内的催化剂水平衡状态进行细致跟踪；（2）、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，所述燃料电池发动机包括质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池包括扩散层、催化层和质子交换膜，所述催化层一侧设有所述扩散层，所述催化层另一侧设有所述质子交换膜，所述催化层由催化剂和离聚物组成，所述催化剂之间设有若干个孔隙，所述催化剂周围设有离聚物；其特征在于：所述方法包括如下步骤：S1：通过质子交换膜的参数、催化层的参数和质子交换膜燃料电池的电堆电流数据，计算取得质子交换膜燃料电池的电堆内部可以作为结合水存在的水分子数和水的生成量；S2：获取质子交换膜燃料电池的电堆冻融启动过程中温度升至0
°
C的时间点，结合质子交换膜的膜电极参数、催化层的参数，计算取得在冻融启动过程中对结冰的包容度，判断是否满足冻融启动需求；S3：开始冻融启动，通过催化层的参数、质子交换膜燃料电池的电堆的参数、最大结冰摩尔数、对结冰的包容度，进行评估判断是否满足热力学第一定律，若满足，则继续；反之，则立即停止。2.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，其特征在于：所述质子交换膜材料为全氟磺酸溶液（PFSA）。3.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，其特征在于：所述S1包括如下步骤：S11：获取催化层中质子交换膜的体积占比、催化层厚度、催化层中的有效反应面积，计算取得质子交换膜的有效反应体积；S12：获取质子交换膜的摩尔质量、质子交换膜的密度，计算取得质子交换膜的摩尔体积；S13：获取质子交换膜中的初始水含量，计算取得可以作为结合水存在的水分子数；S14：获取燃料电池电堆电流数据，计算取得燃料电池氢氧反应过程中水的生成量。4.如权利要求1所述的一种燃料电池发动机冻融启动过程中结冰机理的计算方法，其特征在于：所述S2包括如下步骤：S21：获取膜电极的孔隙率，通过膜电极的孔隙率、催化层厚度、催化层中的有效反应面积进行计算取得最大结冰体积；S22：获取冰的密度、冰的摩尔质量，通过最大结冰体积、冰的密度、冰的摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志洋，刘小娅，黄蓉，陆建山，
申请(专利权)人：浙江氢途科技有限公司，
类型：发明
国别省市：