CN105244521B

CN105244521B - 一种燃料电池的含水量控制方法

Info

Publication number: CN105244521B
Application number: CN201510565944.8A
Authority: CN
Inventors: 卫东; 陶泽炎; 童鹏; 李志勇; 徐创
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: CN105244521A

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的含水量控制方法，包括：引入阻抗正割角α作为燃料电池的含水量控制指标，运用改进型电化学阻抗谱法求解得到阻抗正割角α，根据测量得到的阻抗正割角α的信息产生控制信号，对燃料电池进气进行增湿，从而达到调整燃料电池的含水量的目的；本发明能够在不添加任何传感器的情况下，仅利用交流信号发生器及数据采集系统检测得到燃料电池的阻抗正割角α，并且能够在保证采样精度的同时大大缩短了采样时间，节约了检测成本、提高了检测效率。

Description

一种燃料电池的含水量控制方法

技术领域：

本发明涉及一种燃料电池的含水量控制方法。

背景技术：

近年来随着化石能源 ( 即煤、石油、天然气 ) 的不断消耗，社会如今正在遭受能源短缺的困境。并且，化石燃料在提取、运输、使用过程中也导致了诸多的环境问题。尤其是在使用化石燃料获取能量时产生的副产物会导致全球变暖、造成极为严重的大气污染。在所有化石燃料的替代选择中，由于燃料电池良好的操作性能、发电环境友好等优点使其成为最具有发展前景一种供能方式。而质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange MembraneFuel Cell ，PEMFC)具有功率密度高、无污染、低温启动等优点，特别适用于人们日常生活中，有着光明的市场应用前景。

在实际中， PEMFC 输出性能受操作条件 ( 温度、湿度等 ) 影响较大， PEMFC 堆内含水量变化难以准确监控。为了使PEMFC 发电性能保持在最优的输出状态，使 PEMFC 发电性能良好，需维持 PEMFC单元内含水量处于合理范围之内，即 PEMFC 内不发生膜干或水淹现象。目前，由于质子交换膜厚度只有微米级、燃料电池在工作过程中需要保证结构的完整性和封闭性，这使得难以利用传感器对 PEMFC 含水量实现实时测量控制，同时目前基于影像学及湿度传感器对燃料电池内部膜含水量监控的经济成本和技术成本均十分高昂，并且由于PEMFC 在工作过程中会生成水，随着工作温度的变化，燃料电池内部水会发生气液两相之间的转化，这对于湿度传感器的检测会产生很大的影响。由于加湿气与 PEMFC 之间存在温差，导致了额外的液态水在 PEMFC 内部中凝结。因此，输入气体经过 PEMFC 内部后，输出气体湿度非常大，甚至饱和，这使得测量出气口气体相对湿度来判断电堆水内部状态不准确也不有效，不利于实时的控制，及对输出性能优化。。

电化学阻抗谱法 (Electrochemical Imepdance Spetroscopy ， EIS) 也称为交流阻抗谱法，是高频阻抗法的升级，其将单一频率的高频交流激励信号改为一系列从高频到低频的交流信号。 EIS 法不仅能测出燃料电池的阻抗值，还可以测出其它特性的阻抗信息，根据 PEMFC 工作原理，建立如图 4 所示等效电路模型，基于 PEMFC 含水量与膜电阻R_m 的数学关系模型将 PEMFC 含水量控制在适宜范围。由于其利用扫频的方式，因此可以获得在该电势下的随频率变化的燃料电池阻抗谱信息。该方法含有很多的低频信号，使得测试的时间很长，阻抗参数拟合繁琐，但由于其几乎能包括燃料电池稳定状态下所有状态信息，因此 EIS 法也越来越受到燃料电池研究者们的青睐。。

目前最常用的 PEMFC 含水量监控方法是基于对 PEMFC 单元内含水量的软测量。PEMFC 含水量的软测量是通过采集控制过程中相对容易测量的辅助变量 ( 也称二次变量) ，通过构建推断估计器来估计并克服扰动和测量噪声对过程主导变量影响。估计器的设计是根据 PEMFC 含水量与辅助变量之间的最优准则，选择一组既与主导变量有密切关系，又容易测量的辅助变量，通过构造某种数学模型，实现对主导变量的在线估计。由于测量辅助变量过程中会产生误差，会导致PEMFC含水量软测量结果不精确。且PEMFC含水量的软测量结果是基于对辅助变量的测量，这并不能真实反映PEMFC内部含水量的情况。例如：中国发明专利(申请号为200980160931.5)燃料电池的含水量控制方法以及燃料电池系统，提出了利用多组湿度传感器检测PEMFC电极表面内的各位置的含水状态，调整向PEMFC阳极侧供给氢气的流量和压力，使得PEMFC内的含水量成为目标含水量。中国发明专利(申请号为CN201310674719.9)一种燃料电池闭环控制方法，提出了根据燃料电池的阳极气体压力降的理论计算值，设定保证燃料电池含水量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，从而保证燃料电池处于良好的水管理状态。

现有PEMFC的含水量控制与测量方法可以较好的将PEMFC的含水量控制在较好的水管理状态，与传统利用湿度传感器测量PEMFC流场板或尾气湿度相比，准确度有一定的提高。但是，选取的辅助变量大部分为PEMFC的外部性状并不能真实反映PEMFC内部真实湿度状态，而PEMFC反应生成的水会影响PEMFC的含水量。并且，辅助变量的测量精确度、建模的准确性均会影响对PEMFC含水量的控制。

发明内容：

在实际测量控制过程中，辅助变量的测量精确度、建模的准确性均会影响对PEMFC含水量的控制。并且，大部分选取的辅助变量是PEMFC的外部性状，并不能真实反映PEMFC内部真实湿度状态。而传统EIS法测量时间过长，并不适用于PEMFC含水量的实时控制。

本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种燃料电池的含水量控制及测试系统及方法，该系统及方法能够恰当地调整燃料电池的单元内的含水量，并缩短燃料电池的含水量控制的响应时间。

为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池的含水量控制方法包括以下步骤：

本文提供一种PEMFC含水量控制方法，其特征是针对任意一种运行状态下的PEMFC，引入阻抗正割角α，基于图4所示PEMFC等效电路，根据PEMFC最佳操作条件下阻抗谱曲线，计算得到阻抗曲线与实轴交点高频频率及高频转折频率：f₁、f₂。给PEMFC施加频率分别为f₁、f₂的交流正弦信号U₁、U₂。分别采集得到PEMFC的响应信号I₁、I₂。由此求解得到对应频率f₁、f₂的PEMFC阻抗分别为Z₁、Z₂。从而计算得到图5所示与实轴夹角α的大小。基于阻抗正割角α的检测信息，湿度控制器产生控制信号，经驱动电路放大后输出至加湿装置的控制端，调整向PEMFC电极进气加湿度使得满足预设条件，达到控制PEMFC的含水量在适宜范围的目的。该方法不仅减小了扫频范围，还缩短了采样时间，并且根据阻抗测量得到的α角能真实反映PEMFC内部的真实状态。所述的PEMFC含水量控制方法包括以下步骤：

步骤一：PEMFC在工作过程中，其理想输出应为电化学电动势，由于存在不可逆损失，电池输出电压会随之下降。实际上，燃料电池的不可逆电压损失就是极化过电压，主要由活化极化作用、欧姆极化作用和浓差极化作用引起。由此得到图3所示PEMFC等效电路，其中R_m为膜阻抗、R_a为极化阻抗、R_f为扩散阻抗、C_dl为等效电容、R_load为外部负载。基于最佳操作条件下PEMFC阻抗谱及PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂。f₁为阻抗谱与实轴的交点所对应的频率，且f₁≥20kHz；根据式(1)计算得到PEMFC高频转折频率f₂：

步骤二：给PEMFC分别施加高频交流正弦电信号U₁、U₂：

U(ω₁)＝U₀sin(ω₁t) (2)

U(ω₂)＝U₀sin(ω₂t) (3)

其中：U₀为交流正弦信号幅值。

利用采样电路采集PEMFC的响应信号I₁、I₂：

I(ω₁)＝I₀sin(ω₁t+θ) (4)

I(ω₂)＝I₀sin(ω₂t+θ) (5)

其中：I₀为响应信号幅值，θ为响应信号相位角。

由此计算得到PEMFC对应频率的阻抗Z₁、Z₂为：

其中：

Z‘₁＝R_m，

Z“₁＝0，

图4所示为在阻抗坐标轴上得到Z(ω₁)、Z(ω₂)及与实轴夹角α：

因此，该α是一个与R_m、R_a相关的一个值，而R_m和R_a的值与电堆内部反应环境息息相关，是随着电堆内部的温湿度环境变化而不断变化的值，所以角度的不断变化可以时时反应燃料电池堆内部电堆内部的温湿度情况。

步骤三：数据采集系统将采集得到的阻抗正割角α的信息发送至湿度控制器，得到与预设最优阻抗正割角α的偏差Δα，当Δα≠0时，则产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路中，经驱动电路输出能够驱动加湿装置的信号，使空气供给管路、氢气供给管路中的气体加湿到预设值。从而达到控制燃料电池的含水量在目标范围内的目的。

本发明所述测量燃料电池阻抗正割角α的过程中，需保证外部负载不变、保证燃料电池温度处于稳定状态。

本发明所述的燃料电池的含水量控制系统分为五部分，包括：燃料电池、空气供气管路系统、氢气供气管路系统、冷媒水管路系统、检测控制系统。

交流信号发生器与燃料电池的正负极与数据采集系统的输入端相连，数据采集系统的输出端与湿度控制器的输入端相连接，湿度控制器的输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端与各个加湿装置的控制端相连。燃料电池前部进气管路与各加湿装置的输入端相连，加湿装置的输出端与燃料电池电极上的后部进气管路相连。

所述检测控制系统，包括交流信号发生器、数据采集系统、湿度控制器。所述交流信号发生器向燃料电池发射频率分别为f₁、f₂的高频交流电信号；所述数据采集系统分别采集得到燃料电池的响应信号，并依据本发明所述燃料电池的含水量控制方法计算当前燃料电池阻抗正割角α；所述湿度控制器为PID控制器，基于所述数据采集系统的检测结果，生成加湿控制信号，经驱动电路放大后输出至加湿装置控制端，调整所述燃料电池的进气增湿度，使得所述燃料电池的含水量成为目标含水量。

所述前部进气管路包括空气供给管路、氢气供给管路，所述燃料电池进气输入端包括氢气供给口、空气供给口。

附图说明：

图1为本发明燃料电池立体图

图2为本发明燃料电池侧面剖视图

图3为本发明燃料电池等效电路图

图4为本发明改进EIS法阻抗谱采样点分区示意图

图5为本发明燃料电池最佳操作条件阻抗谱

图6为本发明系统结构图

图7为本发明燃料电池的含水量控制流程图

图8为本发明对燃料电池进气增湿效果图

图9为本发明对燃料电池的含水量扰动响应时间图

具体实施方式：

以下，参照附图，关于本发明的优选实施方案进行说明。首先，关于燃料电池的含水量控制方法进行说明。接着，对燃料电池的含水量控制系统进行说明。

本发明所述的燃料电池的含水量控制方法包括以下步骤：

步骤一：如图3、4、5所示，在燃料电池处于稳定运行状态下，基于最佳操作条件下PEMFC 阻抗谱及PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂。f₁为阻抗谱与实轴的交点所对应的频率，且f₁≥20kHz；根据式(1)计算得到PEMFC等效电路高频转折频率f₂：

步骤二：交流信号发生器51产生两组高频(f₁、f₂)交流电信号U₁、U₂，并经导线输出给燃料电池1的正负电极14：

U(ω₁)＝U₀sin(ω₁t) (2)

U(ω₂)＝U₀sin(ω₂t) (3)

其中：U₀为交流正弦信号幅值。

数据采集系统52检测得到燃料电池1的信号响应I₁、I₂：

I(ω₁)＝I₀sin(ω₁t+θ) (4)

I(ω₂)＝I₀sin(ω₂t+θ) (5)

其中：I₀为响应信号幅值，θ为响应信号相位角。

之后，数据采集系统52的计算部计算得到燃料电池1对应频率的复阻抗Z₁、Z₂：

并进一步计算得到当前阻抗正割角α：

步骤三：：数据采集系统52将采集得到的阻抗正割角α的信息发送至湿度控制器53，湿度控制器53根据当前燃料电池1的阻抗正割角α信息得到与预设最优阻抗正割角α的偏差Δα，当Δα≠0时，则产生控制信号，然后将控制信号输入至驱动电路54中，经驱动电路54放大后的控制信号输出至加湿装置15的控制端，使空气供给管路22、氢气供给管路32中的气体加湿到预设值。加湿后的气体从前部进气管路13进入燃料电池1，从而达到调整燃料电池1的含水量的目的。

需要说明的是，所述阻抗正割角α是在定电流恒温状态，即图4中外部负载R_load保持不变且燃料电池1温度处于稳定状态时测量计算得到。

参考图1、图2及图6，本发明所述的燃料电池的含水量控制系统100，包括燃料电池1、空气供气管路系统20、氢气供气管路系统30、冷媒水管路系统40、检测控制系统50。

PEMFC组构造的燃料电池1，具有多个固体高分子电解质型的PEMFC单元2，将多个PEMFC单元2堆叠在一起得到单元层叠体3。在单元层叠体3的上下两端的单个PEMFC单元2(后文，称为“端部PEMFC单元2”)的外侧，分别依次连接集电板4a、4b，绝缘板 5a、5b，端板6a、6b。单元层叠体3、集电板4、绝缘板5、端板6由六个螺栓7固定。

氢气、空气以及冷媒水，分别从连接到端板6a的供给口8a、9a、10a的供给管13流入单元层叠体3内的进气管12a。之后，氢气、氧气以及冷媒水在单个单元2的平面方向上流动，到达到达单元层叠体3的出气管12b。燃料电池1的正负电极14通过导线图数据采集系统52的输入端相连，数据采集系统52的输出端与湿度控制器53的输入端相连接，湿度控制器53的输出端与驱动电路54的输入端相连接，驱动电路54的输出端与加湿装置15的控制端相连接。

空气供给管路系统20是对燃料电池1供给空气的系统，具有加湿装置15、空气压缩机 21、空气供给管路22、空气排出管路23、高压储气罐24等。由空气压缩机21抽取大气中的空气压送到高压储氢罐24，通过空气减压阀25减压，经喷射器26调整流量以及压力。之后，经加湿装置15对供给空气进行加湿。由此，从空气供给管路22向燃料电池供给设定加湿度的空气。未被完全反应的空气由空气排出管路23排出。

氢气供给管路系统30是向燃料电池1供给氢气的系统，包含氢气供给源31、加湿装置 15、氢气供给管路32、氢气排出管路33等。在向燃料电池1供给氢气时，先将关闭阀24开启，氢气供给源31供给的高纯氢(氢气纯度达到99.999％)经氢气减压阀35减压后，通过喷射器35调整流量以及压力。之后，经加湿装置15对供给氢气进行加湿。由此，从氢气供给管路32向燃料电池供给设定加湿度的氢气。未被完全反应的氢气由氢气排出管路33排出。

冷媒水管路系统40主要向燃料电池1循环供给冷媒水，包含：储水罐41、冷媒水泵42、冷媒水循环回路43、散热器44、进水阀45等。冷媒水泵42经冷媒水循环回路43向燃料电池1压送冷媒水。散热器44对从燃料电池1内排出的冷媒水进行冷却降温。

检测控制系统50包括交流信号发生器51、数据采集系统52、湿度控制器53、驱动电路 54等。交流信号发生器51向燃料电池1分别发射两组特定的交流高频电信号，数据采集系统52分别采集燃料电池1的响应信号；湿度控制器53基于数据采集系统52的检测信息，产生控制信号输入驱动电路54；驱动电路54驱动所述加湿装置15，使得供给气体满足设定湿度，达到控制燃料电池1内的含水量的目的。

需要说明的是，所述固定螺栓7有六个；所述空气供给管路22及氢气供给管路32均包含加湿装置15；交流信号发生器51及燃料电池正负极14均通过导线与数据采集系统的输入端相连；湿度控制器53为PID控制器。

本发明具有以下特点：

1)采用能够反映燃料电池1内部真实性状的阻抗正割角α信息的反馈控制机制实现燃料电池1的含水量的自动调节；2)本发明运用一种改进型电化学阻抗谱法(EIS)，与传统的 EIS法相比，该方法在保证采样精度的同时大大缩短了采样时间，并且不利用任何传感器装置，只需使用普通的RC振荡电路发射交流高频信号，大大节约了检测成本、缩短了采样时间、提高了检测效率；3)湿度控制系统精确度高、对于进气加湿控制均匀，响应较快，可用于燃料电池动态特性的实验研究。

本发明的实验结果如图8、9所示。关于如上所述构成的燃料电池的含水量控制系统100 中进行的燃料电池1的含水量控制方法的一个例子进行说明。

基于最佳操作条件下PEMFC阻抗谱及PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂分别为：20kHz、853Hz，且：

R_m＝8(mΩ)

R_a＝R_f+R_d＝10.2+1.7＝11.9(mΩ)

Z₁＝8(mΩ)

Z₂＝10.46+i*4.122(mΩ)

燃料电池最优阻抗正割角为α＝69.01°。

在燃料电池1处于稳定运行状态时——温度处于55℃、外部负载1kw，电流密度i＝0.3 A·cm^-2保持不变，此时燃料电池进气相对湿度RH为65％，向燃料电池1依次发射频率为f₁＝20kHz、f₂＝853Hz的高频交流电信号。经数据采集系统52检测计算得到：

R_m＝7.8(mΩ)

R_a＝R_f+R_d＝16.7+4.61＝21.31(mΩ)

Z₁＝7.8(mΩ)

Z₂＝9.23+i*5.33(mΩ)

α＝75.12°。

湿度控制器53基于数据采集系统52检测得到的信息Δα＝6.11°，产生控制信号给驱动电路54，经驱动电路放大后输入加湿装置15控制端。其调节响应过程如图8、9所示。

图8为本系统对燃料电池1进气加湿效果图。图中S₁为燃料电池1处于低含水量状态(进气相对湿度RH为65％)运行，S₂为本发明检测到燃料电池1处于低含水量状态并产生控制信号给加湿装置15对燃料电池1进气增湿响应过程，S₃为燃料电池1经加湿后进气相对湿度处于适宜(相对湿度RH为97％)运行状态。由图8可以看出，本发明对燃料电池1进气加湿命令响应能够在30s以内完成。而采用常规湿度控制手段，譬如传统EIS法，进气加湿响应时间则需要20～30min，由此可以看出本发明能够显著提高进气加湿响应时间。

图9中曲线1为燃料电池1进气相对湿度RH为65％时，燃料电池1的含水量在本发明系统的控制下的含水量响应。曲线2为对燃料电池1的后部进气管路12中的进气施加相对湿度RH为50％的湿度扰动，燃料电池1的含水量在本发明系统的控制下的含水量响应。由图 9可以看出，含水量响应时间均在40s内。

通过以上分析可知：本发明利用改进型EIS法，引入阻抗正割角α作为燃料电池1的含水量控制指标，能够准确的反映燃料电池1内部的真实性状，通过加湿装置对燃料电池1的进气湿度进行调节，达到控制燃料电池1的含水量的目的。该方法缩短燃料电池1的含水量控制响应时间，拓宽燃料电池1的含水量控制范围。并且本发明不需要其他辅助传感器，系统加工过程简单，其他关键组件，如交流信号发生器51、数据采集系统52、湿度控制器53、驱动电路54及加湿装置15均可直接购买获得。用户只需根据所自身所使用的燃料电池1调整控制参数、控制标准。

Claims

1.一种燃料电池的含水量控制方法，其特征在于：通过引入阻抗正割角α作为燃料电池含水量的控制指标，利用湿度控制器产生控制信号，调整燃料电池的进气增湿度达到设定值，实现燃料电池含水量的控制，具体包括以下步骤：

步骤一：基于最佳操作条件下PEMFC阻抗谱及PEMFC等效电路，确定高频信号频率f₁、f₂；f₁为阻抗谱与实轴的交点所对应的频率，且f₁≥20kHz；根据式(1)计算得到PEMFC高频转折频率f₂：

其中：R_a＝R_f+R_d，R_f、R_m、R_d分别为燃料电池堆等效电路中活化内阻、欧姆内阻、浓差内阻，mΩ；C_dl为等效电容，F；

步骤二：依次给燃料电池发射两组高频交流电信号f₁、f₂，分别检测其响应信号U(ω₁)、U(ω₂)：

U(ω₁)＝U₀sin(ω₁t) (2)

U(ω₂)＝U₀sin(ω₂t) (3)

其中：ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂，U₀为交流正弦信号幅值；

依次采集燃料电池的响应信号I(ω₁)、I(ω₂)：

I(ω₁)＝I₀sin(ω₁t+θ) (4)

I(ω₂)＝I₀sin(ω₂t+θ) (5)

其中：I₀为响应信号幅值，θ为响应信号相位角；

由此，利用公式(6)-(7)计算得到燃料电池对应频率的阻抗Z(ω₁)、Z(ω₂)为：

其中：Z‘₁、Z‘₂为阻抗实部，Z“₁、Z“₂为阻抗虚部；

利用公式(8)得到在阻抗坐标轴上Z(ω₁)、Z(ω₂)及与实轴夹角α：

步骤三：数据采集系统(52)将采集得到的阻抗正割角α的信息发送至湿度控制器(53)，得到与预设最优阻抗正割角α的偏差Δα，当Δα≠0时，产生控制信号，然后将所述控制信号输入驱动电路(54)中，经驱动电路(54)放大后的控制信号输出至加湿装置(15)的控制端，使空气供给管路(22)、氢气供给管路(32)中的气体加湿到预设值，从而达到控制燃料电池(1)的含水量在目标范围内的目的。