CN103490083A

CN103490083A - 一种燃料电池防水淹控制方法

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Publication number: CN103490083A
Application number: CN201310430137.6A
Authority: CN
Inventors: 裴普成; 宋满存
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103490083B

Abstract

一种燃料电池防水淹控制方法，通过流场参数计算或实验测试得知待控制燃料电池正常运行条件下氢气压力降的理论计算值，通过水淹实验或流道参数得到防止待控制燃料电池发生水淹的氢气压力降控制上限，并划定待控制燃料电池的“微湿未淹”区间；通过氢气压力降的检测，对待控制燃料电池的水状态进行评价，并通过对反应温度和稳定时间的调节实现防止水淹的控制过程；本发明给出了燃料电池氢气压力降的理论计算值并给出了燃料电池水淹过程中的变化特征和氢气压力降控制区间，适用于燃料电池测控平台系统或燃料电池实际应用的各种场合，具有简捷、科学、精确、及时等优点。

Description

一种燃料电池防水淹控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池水管理及故障诊断技术领域，具体涉及一种燃料电池防水淹控制方法。

背景技术

水管理课题是燃料电池运行过程中的重点与难点，直接关系到燃料电池的性能指标甚至是寿命。不良的水管理通常分为水淹和缺水两种情况，水淹将阻碍燃料气体的流动，导致反应缺气而引发其它副反应，加速催化层内碳的腐蚀，还会引起局部的温度热点；缺水会导致质子交换膜的干化，明显降低质子电导性，甚至造成质子交换膜的破裂损坏。因而非常有必要燃料电池的水淹和缺水的情况进行诊断。

现有的燃料电池水淹或缺水的诊断方法主要分为三大类：通过建立燃料电池水管理模型的方法可以给出较为适宜的燃料电池工况条件建议，但诊断准确度不高且工程应用性差；利用神经网络或故障树等工程化的故障诊断方法对水淹或缺水进行诊断需要大量的样本数据且缺乏足够的解释性；通过空气（阴极气体）压力降或通过燃料电池欧姆阻抗的两种方法可以较准确的诊断燃料电池的水淹或缺水，但缺乏科学有效的基准值，因而只能在水淹或缺水已经发生且相当严重时做出诊断，无法从趋势上进行及时的预警和自愈。

对于连续运行的燃料电池，需要实时的对电池内部的水状态进行监控，对电池出现的水淹或缺水的趋势进行预警并及时采取措施予以自愈，目前缺少一种方便有效的对燃料电池水淹与缺水进行预警与自愈的在线技术方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池防水淹控制方法，可实现燃料电池在运行过程中良好的水管理状态。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）获取各个工况下的氢气压力降的理论值，即未发生水淹时的氢气压力降的基准值；

（2）对燃料电池进行水淹实验，绘制出在整个水淹过程中的性能曲线及氢气压力降的变化曲线，可发现氢气压力降在水淹过程中具有“两级台阶”的变化特征，第一个台阶期与理论氢气压力降吻合，代表无水期，此时燃料电池性能良好；第一次上升期表征液态水滴在氢气流道内出现并增大，代表湿润期，此期间燃料电池性能略有下降；第二个台阶期表征液态水在氢气流道内呈水流薄膜状态，代表进入水淹的过渡期，此期间燃料电池性能呈献不稳定状态；第二次上升期表征液态水已经开始阻塞流道，代表陷入水淹状态，此时燃料电池性能大幅下降；定义两个“台阶”之间的幅度为

即

即表征了燃料电池水淹过程中的湿润区的范围上限，也是防水淹所需控制的氢气压力降上限；如不进行水淹实验，则使用公式

来进行估计；

（3）当实际氢气压力降超过理论计算氢气压力降的数值时，燃料电池运行在“微湿未淹”的较理想工况下，此时燃料电池流道内存在少量的液态水，对性能的影响很小，且可保证不出现缺水情况；

（4）当

时，应警惕燃料电池出现缺水的趋势，定义此区间为“缺水预警”区，应降低燃料电池的反应温度，以增加电池内湿度；使用公式x=α_x·ΔT来求解需要下降的温度值x，其中ΔT为系统可实现的最小温度精度，α_x为降温系数；由于燃料电池反应温度的变化的速度大于电池内湿度的调整速度，为了防止出现过度调节而产生反应温度的振荡，取α_x∈[1,3]；

（5）当时，应警惕燃料电池出现水淹的趋势，定义此区间为“水淹预警”区，应提高燃料电池的反应温度，以降低电池内湿度；使用公式y=α_y·ΔT来求解需要提高的温度值y，其中ΔT为系统可实现的最小温度精度，α_y为升温系数；既为了防止过度调节而产生的反应温度的振荡，也为了防止不足调节而导致的水淹趋势加剧，α_y采取与

数值有关的分段函数的形式，例如取

（6）每次进行温度调节后，等待时间t以保证调节结果稳定，取t∈[3,10]；然后再继续进行此防水淹控制方法。

实现此控制方法的主要装置为能够运行在燃料电池测控平台系统上的燃料电池防水淹控制模块，通过前期参数初始化并实时采集燃料电池运行过程中的必要传感器参数，对水淹趋势进行及时预警，并对执行器发出指令，实现防止水淹发生的控制过程。

所述氢气压力降的理论值根据如下公式求解：

{Δp}_{f} = \{\begin{matrix} \frac{6.32 \times 10^{- 11} {(C_{w} + C_{d})}^{2} L T^{1.6835}}{n {(C_{w} \cdot C_{d})}^{3} (p_{H_{2}} - p_{sat})} (λ_{H_{2}} - 0.5) I & (273 K \leq T \leq 313 K) \\ \frac{1.1748 \times 10^{- 9} {(C_{w} + C_{d})}^{2} {Le}^{T / 275.7} T}{n {(C_{w} \cdot C_{d})}^{3} (p_{H_{2}} - p_{sat}) p_{H_{2}}^{0.0263}} (λ_{H_{2}} - 0.5) I & (313 K < T \leq 373 K) \end{matrix}

其中，n为燃料电池氢气侧单片电池的流道数量，L为燃料电池氢气侧单片电池的流道长度，C_w为燃料电池氢气侧单片电池的流道宽度，C_d为燃料电池氢气侧单片电池的流道深度，T为燃料电池反应温度，I为电流值，为氢气化学计量数，

为氢气进气压力，p_sat为当前温度的饱和蒸气压值，使用公式p_sat=(0.000155T³-0.1348T²+39.157T-3799.3)×10³求解。

当无法测量上述参数时，所述氢气压力降的理论值通过运行燃料电池并测量氢气压力降的数值来反推由流场参数组成的常数项数值，进而求得各个工况下的氢气压力降的理论值，反推公式为：

k_{H_{2}} = \{\begin{matrix} \frac{{Δp}_{H_{2}} (p_{H_{2}} - p_{sat})}{6.32 \times 10^{- 11} T^{1.6835} (λ_{H_{2}} - 0.5) I} \\ \frac{{Δp}_{H_{2}} (p_{H_{2}} - p_{sat}) p_{H_{2}}^{0.0263}}{1.1748 \times 10^{- 9} e^{T / 275.7} T (λ_{H_{2}} - 0.5) I} \end{matrix},

其中

为实际测量的氢气压力降值，

对于常规设计的流道形式及尺寸，取

与现有技术相比，本发明利用燃料电池防水淹控制模块通过编写软件程序实现测控数据的自动处理。本发明的方法适用于燃料电池运行过程中对水淹趋势的预警与控制，通过对氢气压力降的理论求解以及对燃料电池水淹过程的分析，将水淹过程分为无水期、湿润期、过渡期和水淹期四个时期，并根据氢气压力降两个台阶的变化特征定义

为防水淹所需控制的氢气压力降上限，进一步出了湿润期及“微湿未淹”区划分的实验方法和估计方法，以及控制调节的具体方案，具有简捷、科学、精确、及时等优点。

本发明的方法及诊断模块，还可用于界定燃料电池理想工况，并进一步应用于研究燃料电池性能衰减及剩余寿命估计等课题。

附图说明

图1是燃料电池水淹过程中性能变化以及氢气压力降“两个台阶”变化的曲线图。

图2是燃料电池运行过程中防止水淹的控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

本发明的主体为燃料电池防水淹控制模块，可以应用并不仅限于应用于燃料电池测控平台，燃料电池测控平台通常包括燃料供给系统、燃料增湿系统、冷却水循环系统、燃料电池系统、电子负载系统以及相关必要的传感器、执行器和管道等，使燃料电池运行在规定的工况条件下。必要的传感器信号通过转化为电压信号后输入至燃料电池防水淹控制模块，包括燃料电池的电流值I、燃料电池的反应温度值T、氢气的流量值（并计算转化为氢气的过量系数值

）以及氢气的进气压力值等。

燃料电池测控平台使燃料电池运行在一定的工况条件下，并将必要的信号输入至燃料电池防水淹控制模块，进而通过进行水淹实验并绘制燃料电池性能及氢气压力降变化的曲线，拟合出氢气压力降在水淹过程中“两级台阶”变化的趋势，求得台阶幅度值

（即防水淹所需氢气压力降控制上限）并得到“微湿未淹”区间在燃料电池正常运行的过程中，燃料电池防水淹控制模块通过对冷却水加热器及冷却水散热风扇的控制，调控燃料电池的反应温度，使电池工作在适宜的湿度状况下，实现防水淹的控制。

应用上述防水淹控制方法及装置对一个本实验燃料电池进行防水淹控制的操作包括如下步骤：

（1）将本实验燃料电池接入燃料电池测控平台，在不同的工况条件（包括不同的电流值、反应温度、氢气进气压力以及氢气过量系数）下对其进行水管理良好条件下的氢气压力降的测试，并结合流道参数数值，求得本实验燃料电池氢气压力降的理论计算公式中的常数项数值。

（2）将饱和增湿的氢气和空气分别通入本实验燃料电池的膜电极两侧，在多种工况条件下进行水淹实验，绘制性能及氢气压力降变化的曲线图，拟合出氢气压力降在水淹过程中“两级台阶”变化的趋势。附图1展示了在电流值为50A、反应温度为45℃、氢气进口压力为120kPa、氢气过量系数为1.2、空气过量系数为2.0条件下的水淹实验曲线图。

（3）多次水淹实验取平均求得台阶幅度值约为

（即防水淹所需氢气压力降控制上限）并得到“微湿未淹”区间为[5%,10%]。

（4）对于本实验燃料电池的流道参数（即C_w=1.0cm，C_d=0.5cm）而言，可简化其水淹湿润期末流道横截面内的液态水状态并根据流道横截面积的缩小可求得氢气压力降应上升约20.8%，与实验结论相符。具体公式为：

（5）将拟合后的氢气压力降理论计算值以及等数值使用软件编写进燃料电池防水淹控制模块1，实现控制程序初始化。

（6）如附图2，为本实验燃料电池所采用的控制逻辑图。当出现缺水预警时，燃料电池防水淹控制模块发出信号指令，关闭冷却水加热开关并打开散热器风扇开关，实现本实验燃料电池反应温度下降值x；当出现水淹预警时，燃料电池防水淹控制模块发出信号指令，打开冷却水加热开关并关闭散热器风扇开关，实现本实验燃料电池反应温度上升值y。在调节完成后持续时间t观察效果，并继续进行诊断。

（7）根据本实验燃料电池以及燃料电池测控平台的特点，设定x=2，

此防水淹控制方法通过对本实验燃料电池的氢气压力降的分析、实验、监控与调节，可以有效的实现对本实验燃料电池防止水淹的控制过程。

Claims

1.一种燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（2）对燃料电池进行水淹实验，绘制出在整个水淹过程中的性能曲线及氢气压力降的变化曲线，可发现氢气压力降在水淹过程中具有“两级台阶”的变化特征，第一个台阶期与理论氢气压力降吻合，代表无水期，此时燃料电池性能良好；第一次上升期表征液态水滴在阳极流道内出现并增大，代表湿润期，此期间燃料电池性能略有下降；第二个台阶期表征液态水在阳极流道内呈水流薄膜状态，代表进入水淹的过渡期，此期间燃料电池性能呈献不稳定状态；第二次上升期表征液态水已经开始阻塞流道，代表陷入水淹状态，此时燃料电池性能大幅下降；定义两个“台阶”之间的幅度为即

来进行估计；

（3）当实际氢气压力降超过理论计算阳极压力降的数值时，燃料电池运行在“微湿未淹”的较理想工况下，此时燃料电池流道内存在少量的液态水，对性能的影响很小，且可保证不出现缺水情况；

（4）当

（5）当

时，应警惕燃料电池出现水淹的趋势，定义此区间为“水淹预警”区，应提高燃料电池的反应温度，以降低电池内湿度；使用公式y=α_y·ΔT来求解需要提高的温度值y，其中ΔT为系统可实现的最小温度精度，α_y为升温系数；既为了防止过度调节而产生的反应温度的振荡，也为了防止不足调节而导致的水淹趋势加剧，α_y采取与

数值有关的分段函数的形式；

2.根据权利要求1所述燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：实现此控制方法的主要装置为能够运行在燃料电池测控平台系统上的燃料电池防水淹控制模块，通过前期参数初始化并实时采集燃料电池运行过程中的必要传感器参数，对水淹趋势进行及时预警，并对执行器发出指令，实现防止水淹发生的控制过程。

3.根据权利要求1所述燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：所述氢气压力降的理论值根据如下公式求解：

{Δp}_{f} = \{\begin{matrix} \frac{6.32 \times 10^{- 11} {(C_{w} + C_{d})}^{2} L T^{1.6835}}{n {(C_{w} \cdot C_{d})}^{3} (p_{H_{2}} - p_{sat})} (λ_{H_{2}} - 0.5) I & (273 K \leq T \leq 313 K) \\ \frac{1.1748 \times 10^{- 9} {(C_{w} + C_{d})}^{2} {Le}^{T / 275.7} T}{n {(C_{w} \cdot C_{d})}^{3} (p_{H_{2}} - p_{sat}) p_{H_{2}}^{0.0263}} (λ_{H_{2}} - 0.5) I & (313 K < T \leq 373 K) \end{matrix}

其中，n为燃料电池氢气侧单片电池的流道数量，L为燃料电池氢气侧单片电池的流道长度，C_w为燃料电池氢气侧单片电池的流道宽度，C_d为燃料电池氢气侧单片电池的流道深度，T为燃料电池反应温度，I为电流值，

为氢气化学计量数，

4.根据权利要求1所述燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：所述氢气压力降的理论值通过运行燃料电池并测量氢气压力降的数值来反推由流场参数组成的常数项数值，进而求得各个工况下的氢气压力降的理论值，反推公式为：

k_{H_{2}} = \{\begin{matrix} \frac{{Δp}_{H_{2}} (p_{H_{2}} - p_{sat})}{6.32 \times 10^{- 11} T^{1.6835} (λ_{H_{2}} - 0.5) I} \\ \frac{{Δp}_{H_{2}} (p_{H_{2}} - p_{sat}) p_{H_{2}}^{0.0263}}{1.1748 \times 10^{- 9} e^{T / 275.7} T (λ_{H_{2}} - 0.5) I} \end{matrix},

其中

为实际测量的氢气压力降值，

k_{H_{2}} = \frac{{(C_{w} + C_{d})}^{2} L}{n {(C_{w} \cdot C_{d})}^{3}} .

5.根据权利要求1所述燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：对于常规设计的流道形式及尺寸，取

6.根据权利要求1所述燃料电池防水淹控制方法，其特征在于：取