燃料电池质子交换膜水含量估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术的一种燃料电池质子交换膜水含量估计方法，包括首先建立了质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型，接着建立了一个非线性开环估计器用于估计质子交换膜的含水量，该估计器基于对温度、压力、流量和相对湿度的测量，量化了进入和离开每个电极的水量，进而实现对质子交换膜水含量的估计。该方法的装置包括燃料电池电堆及其辅助子系统，还包括温度、压力、湿度传感器和流量计，用于实时在线进行，不涉及电堆的拆卸或应用场景。本发明专利技术解决了燃料电池质子交换膜水含量的估计问题，基于质子交换膜水含量的精确在线实时估计，可以有效规避质子交换膜燃料电池的水淹和膜干，保证燃料电池高效可靠运行，并可提高质子交换膜燃料电池的寿命与耐久性。命与耐久性。命与耐久性。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池质子交换膜水含量估计方法及装置


[0001]本专利技术涉及质子交换膜燃料电池动力能源
，具体涉及一种燃料电池质子交换膜水含量估计方法。

技术介绍

[0002]交通运输领域的能源转型刻不容缓，车辆电气化已经成为解决能源短缺和环境保护的可行途径。电化学能源系统，如可充电电池、超级电容器和燃料电池在电动汽车应用中发挥着重要作用，并作为一种能源提供动力供应。由于质子交换膜燃料电池汽车具有能量密度高、快速加氢和零污染排放等优点，已成为下一代电动汽车的发展目标之一。然而，耐久性和可靠性问题严重限制了车用质子交换膜燃料电池系统的宽敞的商业应用。燃料电池的质子交换膜含水量是影响电池堆效率和耐久性的关键因素，具体体现在：目前应用最多的全氟磺酸质子交换膜的质子电导率很大程度上取决于含水量，且对电池性能具有显著影响。当质子交换膜含水量过高时，会造成气体扩散层表面液态水过多，不能及时排出，堵塞在气体扩散层和流道中，造成水淹和堵塞流道、多孔介质，进而阻断反应物流向催化剂层；当质子交换膜水含量过低时，质子不能有效迁移、使质子交换膜的传输电阻和欧姆电压损失增加，而低质子电导率阻碍质子到达催化剂层表面，使其有效反应表面积减小，极化损耗增加。因此，对燃料电池质子交换膜水含量进行在线实时估计具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出的一种燃料电池质子交换膜水含量估计方法，可至少解决上述技术问题之一。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种燃料电池质子交换膜水含量估计方法，包括以下步骤，首先建立质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型，接着基于质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型建立非线性质子交换膜水含量估计器，接着基于温度传感器、压力传感器、流量计和湿度传感器实时采集电堆阴极和阳极出入口处的温度、压力、流量和相对湿度，实现对质子交换膜水含量的实时在线估计。
[0005]进一步地，所述质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型为一维模型，将物质组分沿电池内部各个方向的变化视为均匀；进而假设从歧管入口到出口的物质成线性梯度分布，故而有，其中，分别是阴极与阳极处的相对湿度。因此，采用所述集总参数扩散模型可以降低系统的复杂度，减小计算量，便于工程实际运用与在线实时估计。进一步地，所述质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型如下：
其中：分别是阴极和阳极的水扩散指数，分别是阴极进、出水蒸气质量流量和阳极进出水蒸气质量流量，分别是阴极和阳极处的水蒸气质量，是质子交换膜的摩尔质量，是质子交换膜的厚度，是干燥状态下质子交换膜的密度，是水蒸气的摩尔质量，是质子交换膜的表面积，是电堆中单电池的数量。
[0006]进一步地，所述非线性质子交换膜水含量估计器如下：其中，，是质子交换膜水含量的估计值，分别是阴极入口、出口处和阳极入口、出口处的相对湿度估计值，分别是阴极和阳极入口处相对湿度的测量值，是水蒸气气体常数，分别是阴极和阳极温度测量值，分别是正常状态下和饱和状态下压力的测量值，分别是氢气和空气质量流量的测量值。
[0007]另一方面还公开一种燃料电池质子交换膜水含量估计装置，对电堆阴极和阳极出入口处的温度、压力、流量和相对湿度进行测量，此步骤涉及到的装置包括质子交换膜燃料电池电堆、空气供给系统、氢气供给系统、热管理系统。
[0008]进一步地，温度传感器、压力传感器、流量计和湿度传感器的安装位置处于燃料电池电堆中分别与氢气流道和氧气流道相连的四根进气歧管与排气歧管中，以实现对温度、压力、流量和相对湿度的精确测量。
[0009]由上述技术方案可知，本专利技术所提出的非线性燃料电池质子交换膜水含量估计器的输入为燃料电池电堆阴极和阳极出入口处的温度、压力、流量和相对湿度，上述输入分别由本专利技术所提出的装置中的温度传感器、压力传感器、流量计和湿度传感器所测量获取。根据上述测量获取的输入，结合本专利技术提出的质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型，构建
非线性燃料电池质子交换膜水含量估计器，实现对质子交换膜水含量的实时在线估计。
[0010]本专利技术的燃料电池质子交换膜水含量估计方法基于非线性燃料电池质子交换膜水含量估计器和温度、压力、流量和相对湿度的测量数据，对燃料电池质子交换膜水含量进行在线实时估计，以实现实时、高效的水管理，并保障燃料电池高效可靠运行、提高其寿命与耐久性。
附图说明
[0011]图1为本专利技术中所提出的质子交换膜水含量估计方法所需的装置示意图；图2为本专利技术中电极水蒸气流动示意图；图3为本专利技术中所涉及的传感器的布置位置示意图；图4为本专利技术中所提出的非线性质子交换膜水含量估计方法的流程图。
具体实施方式
[0012]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0013]如图4所示，本实施例所述的燃料电池质子交换膜水含量估计方法，本专利技术实施例包括以下步骤：包括以下步骤，首先建立质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型，接着基于质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型建立非线性质子交换膜水含量估计器，接着基于温度传感器、压力传感器、流量计和湿度传感器实时采集电堆阴极和阳极出入口处的温度、压力、流量和相对湿度，实现对质子交换膜水含量的实时在线估计。
[0014]以下分别具体说明：首先是建立质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型。由于分布式参数分析固有的复杂性、电堆设计的几何复杂性，考虑到工程运用中的算力限制，在此选用一维集总参数模型，将物质组分沿电池内部各个方向的变化视为均匀。故而假设从歧管入口到出口湿度成线性梯度分布，故而有，其中，分别是阴极与阳极处的相对湿度。因此，采用所述集总参数扩散模型可以降低系统的复杂度，减小计算量，便于工程实际运用与在线实时估计。基于以上的假设，质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型的公式如下：其中：分别是阴极和阳极的水扩散指数，分别是阴极进、出水蒸气质量流量和阳极进出水蒸气质量流量，分别是阴极和阳极处的水蒸气
质量，是质子交换膜的摩尔质量，是质子交换膜的厚度，是干燥状态下质子交换膜的密度，是水蒸气的摩尔质量，是质子交换膜的表面积，是电堆中单电池的数量。图2给出了质子交换膜燃料电池中水的传输和流动规律，由阴极产生并向阳极扩散。本实施例质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型公式的优点在于简单，降低计算量。
[0015]根据上述质子交换膜集总参数扩散模型建立非线性燃料电池质子交换膜水含量估计器，其公式如下：其中，，是质子交换膜水含量的估计值，分别是阴极入口、出口处和阳极入口、出口处的相对湿度估计值，分别是阴极和阳极入口处相对湿度的测量值，是水蒸气气体常数，分别是阴极和阳极温度测量值，分别是正常状态下和饱和状态下压力的测量值，分别是氢气和空气质量流量的测量值。该估计器就是对上述公式进行进一步变换、处理，适合该模型。
[0016]进一步地，需要对电堆阴极和阳极出入口处的温度、压力、流量和相对湿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池质子交换膜水含量估计方法，其特征在于，包括以下步骤，首先建立质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型，接着基于质子交换膜燃料电池集总参数扩散模型建立非线性质子交换膜水含量估计器，接着基于温度传感器、压力传感器、流量计和湿度传感器实时采集电堆阴极和阳极出入口处的温度、压力、流量和相对湿度，实现对质子交换膜水含量的实时在线估计。2.根据权利要求1所述的燃料电池质子交换膜水含量估计方法，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型为一维模型，将物质组分沿电池内部各个方向的变化视为均匀；进而假设从歧管入口到出口的物质成线性梯度分布，故而有φ
m
＝(φ
c
+φ
a
)/2，其中，φ
c
,φ
a
分别是阴极与阳极处的相对湿度。3.根据权利要求2所述的燃料电池质子交换膜水含量估计方法，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池的集总参数扩散模型如下：交换膜燃料电池的集总参数扩散模型如下：μ＝M
m,dry
t
m
/(ρ
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M
v
A
FC
n)其中：D
w,c
,D
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分别是阴极和阳极的水扩散指数，W
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,W
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分别是阴极进、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈睿杨，张国卿，彭沛，孙震东，
申请(专利权)人：安徽理安极科技有限公司，
类型：发明
国别省市：