CN103700870B

CN103700870B - 一种燃料电池水管理闭环控制方法

Info

Publication number: CN103700870B
Application number: CN201310674719.9A
Authority: CN
Inventors: 裴普成; 宋满存; 查鸿山
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103700870A

Abstract

一种燃料电池水管理闭环控制方法，求解燃料电池的阳极气体压力降的理论计算值，设定保证水管理状态良好的阳极气体压力降的控制区间，当阳极气体压力降的数值超出此控制区间时通过调节燃料电池温度使其重新进入控制区内以完成水管理的闭环控制，恢复燃料电池至初始温度后仍可保证其处于良好的水管理状态，本发明具有水管理的阳极气体压力降的理论计算控制区间，控制目标明确；通过调节燃料电池反应温度来移动控制区间并使阳极气体压力降的数值位于控制区间内，控制方式简单，易于操作和实现；可求解适宜的温度调节数值，并可实时观察阳极气体压力降的状态，控制目标明确，水管理控制周期短，利于工程应用。

Description

一种燃料电池水管理闭环控制方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种燃料电池水管理闭环控制方法。

背景技术

节能与环保是当今世界的两大主题，燃料电池则是解决这两大问题的极佳方案之一。燃料电池具有结构简单、效率高、零排放等优点，可广泛应用于移动能源或固定电源等诸多领域。水管理是燃料电池技术中的重点和难点，燃料电池水管理的目标是防止燃料电池出现水淹或缺水的现象，使其内部的水含量处于合理的范围内。水管理不佳会直接影响燃料电池的性能甚至缩减燃料电池的使用寿命，但由于其本身具有复杂的多元非线性，因此难以实现精确控制。现有的水管理技术主要以优化设计为主，属于开环控制方法，例如通过排气再循环方案优化气体的增湿以防止燃料电池出现缺水（见：“改善了水管理的具有排气再循环的燃料电池电池”，中国专利公开号为CN109819）；或通过改进燃料电池结构设计来提高水管理能力（见：“用于改进水管理的燃料电池流动场板设计”，中国专利公开号为CN1707836）；或通过改进燃料电池材料特性来改善水管理特性（见：“用于PEMFC双极板水管理的稳定超级疏液涂层”，中国专利公开号为CN102780015A）。这些方法提高了燃料电池水管理的能力，但由于均属于前馈式的开环优化方法，因而适用范围有限，仅满足部分燃料电池系统在部分工况条件下的使用。因此，亟需发明一种基于闭环控制的水管理方法，以实现对目标燃料电池系统进行全工况反馈式的水管理控制，及时有效的防止燃料电池出现水淹或缺水的现象。

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水管理闭环控制方法，实现了燃料电池水管理的闭环控制，可防止水淹或膜干的发生，使燃料电池内部水含量处于合理的范围内。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种燃料电池水管理闭环控制方法，求解燃料电池的阳极气体压力降的理论计算值，设定保证水管理状态良好的阳极气体压力降的控制区间，当阳极气体压力降的数值超出此控制区间时通过调节燃料电池温度使其重新进入控制区内以完成水管理的闭环控制，恢复燃料电池至初始温度后仍可保证其处于良好的水管理状态。

（1）求解各个工况下的氢气压力降的理论值Δp_f，即未发生水淹时的氢气压力降的基准值，根据如下公式求解：

{Δp}_{f} = \{\begin{matrix} \frac{6.32 \times 10^{- 11} {(C_{w} + C_{d})}^{2} {LT}^{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 \leq 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。

（2）设定阳极气体压力降的控制区间，在此控制区间内，燃料电池可处于既不水淹也不缺水的良好水管理状态。控制区间可设定为[α·Δp_f,β·Δp_f]，其中α∈[1.01,1.1]，β∈[1.05,1.3]，且α<β。

（3）设定判断时间t₁和t₂，当实际阳极气体压力降Δp_H2低于α·Δp_f的时间长度大于t₁或高于β·Δp_f的时间长度大于t₂时，则认为燃料电池的阳极气体压力降已经超出控制区间，出现了缺水或水淹的趋势。其中t₁∈[60,300]，t₂∈[30,120]，单位为秒。

（4）当阳极气体压力降超出控制区间时，需要调节燃料电池的反应温度T，温度调节数值为ΔT。由于阳极气体压力降的理论计算值Δp_f会随着反应温度T而发生变化，因此调节T亦会使得控制区间发生移动，而温度调节数值ΔT则应满足使当前的阳极气体压力降的数值位于温度调节后的阳极气体压力降的控制区间内。

（5）保持此工况条件运行并观察一段时间，恢复燃料电池反应温度至初始状态（即调节温度-ΔT），则阳极气体压力降的数值应还会位于温度恢复后阳极气体压力降的控制区间内，说明燃料电池仍处于良好的水管理状态下。

（6）在此过程中，可监控燃料电池的电压变化情况，以辅助证实此燃料电池水管理闭环控制方法的有效性。

与现有技术相比，本发明具有水管理的阳极气体压力降的理论计算控制区间，控制目标明确；通过调节燃料电池反应温度来移动控制区间并使阳极气体压力降的数值位于控制区间内，控制方式简单，易于操作和实现；可求解适宜的温度调节数值，并可实时观察阳极气体压力降的状态，控制目标明确，水管理控制周期短，利于工程应用。

附图说明

图1是本发明的方法在一个双片燃料电池上进行应用的实验曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

图1是本发明的方法在一个双片燃料电池上进行应用的实验曲线。在图1中，本发明的方法可解释如下：

（1）此图中燃料电池的阳极气体压力降控制区间的参数设计为：α=1.025，β=1.075。判断时间设计为：t₁=180，t₂=60。

（2）在约第860s至第920s内，阳极气体压力降的实际数值持续高于控制区间上限并超过了判断时间t₂，说明燃料电池发生的水淹的趋势。启动燃料电池水管理闭环控制方法的操作，提高燃料电池温度T，通过此时状态求解得到ΔT=5。

（3）提高燃料电池反应温度T，阳极气体压力降的控制区间发生移动，使得阳极气体压力降的实际数值位于移动后的控制区间内并在一定时间内得到保持，说明燃料电池的水淹趋势得到了控制，重新处于良好的水管理状态下。

（4）在约第1450s后，将燃料电池的反应温度恢复至初始状态并观察一段时间，发现阳极气体压力降的数值仍可位于控制区间内，说明本发明的水管理闭环控制方法有效。

（5）观察燃料电池的电压变化曲线，可以发现：当阳极气体压力降的数值低于控制区时，电压数值处于下降状态，说明此时燃料电池存在缺水的趋势，只是未超过判断时间t₁因而未启动控制操作；从后面的实验进程可以看出这是合理的，因为燃料电池很快便进入水淹的趋势，说明此时燃料电池的工况条件是倾向于水淹的。当燃料电池的阳极气体压力降进入到控制区间时，电压性能得到了改善。当燃料电池的阳极气体压力降超过控制区上限时，由于此实验中设定的β和t₂均偏小，因而电压数值未出现明显的下降趋势；尽管如此，当通过调节燃料电池的反应温度并再恢复至初始状态，仍可以发现阳极气体压力降的数值得以回归至控制区间，且在此过程中电压值也呈现上升变化，可以证实本发明的方法优化了燃料电池的水管理，改善了燃料电池的水状态。

综上所述，本发明的水管理闭环控制方法，可以快速有速的使燃料电池的阳极气体压力降位于控制区间内，实现燃料电池良好的水管理状态。

Claims

1.一种燃料电池水管理闭环控制方法，其特征在于，求解燃料电池的阳极气体压力降的理论计算值，设定保证水管理状态良好的阳极气体压力降的控制区间，当阳极气体压力降的数值超出此控制区间时通过调节燃料电池温度使其重新进入控制区间内以完成水管理的闭环控制，以在恢复燃料电池至初始温度后仍可保证其处于良好的水管理状态，所述水管理状态良好是指燃料电池处于既不水淹也不缺水的状态，其中：

所述燃料电池的阳极气体为氢气，其压力降的理论值Δp_f，即未发生水淹时的氢气压力降的基准值，根据如下公式求解：

{Δp}_{f} = \{\begin{matrix} \frac{6.32 \times 10^{- 11} {(C_{w} + C_{d})}^{2} {LT}^{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{1.748 \times 10^{- 9} {(C_{w} + C_{d})}^{2} {Le}^{T / 275.7} T}{n \cdot {(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；

所述控制区间设定为[α·Δp_f,β·Δp_f]，其中α∈[1.01,1.1]，β∈[1.05,1.3]，且α<β；

设定判断时间t₁和t₂，当实际阳极气体压力降Δp_H2低于α·Δp_f的时间长度大于t₁或高于β·Δp_f的时间长度大于t₂时，则认为燃料电池的阳极气体压力降已经超出控制区间，出现了缺水或水淹的趋势，其中t₁∈[60,300]，t₂∈[30,120]，单位为秒。

2.根据权利要求1所述的燃料电池水管理闭环控制方法，其特征在于，当阳极气体压力降超出控制区间时，需要调节燃料电池的反应温度T，温度调节数值为ΔT，ΔT应满足使当前的阳极气体压力降的数值位于温度调节后的阳极气体压力降的控制区间内。

3.根据权利要求2所述的燃料电池水管理闭环控制方法，其特征在于，保持此工况条件运行并观察一段时间，恢复燃料电池反应温度至初始状态，即调节温度-ΔT，则阳极气体压力降的数值仍然位于温度恢复后阳极气体压力降的控制区间内，说明燃料电池仍处于良好的水管理状态下。