CN105702985A - 一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的状态监控方法，包括：引入最佳V-I特性曲线斜率k的大小作为燃料电池稳定工作状态的控制指标，根据测量得到的k的信息产生控制信号，对燃料电池操作条件进行控制，从而调节燃料电池工作在欧姆段的目的。本发明还公开了一种燃料电池的状态监控系统，包括燃料电池电堆(最佳工作温度60℃)、氢气供气管路系统、空气供气管路系统、冷却水循环系统、尾气排放系统、阻抗测试系统、安全监测系统和检测控制系统；本发明通过检测控制系统得到燃料电池V-I特性曲线斜率k，并以k作为控制指标，使得燃料电池快速恢复至欧姆段，降低了质子交换膜的水淹和膜干的可能，大大提升了燃料电池的性能。

Description

一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统

技术领域：

本发明涉及一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统。

背景技术：

能源是社会和经济的命脉。近年来，随着世界经济的快速发展，能源消耗日益增加，传统的能源资源日益减少，能源价格不断创出历史新高。同时，经济的快速发展也带来了严重的环境问题，利用清洁能源和可再生能源已成为世界能源发展的必然趋势。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的一种清洁能源。质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)作为燃料电池的一种，具有运行温度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好以及使用纯氢气时不会造成环境污染等优点，有着光明的市场应用前景。

PEMFC的输出主要有活化损失、欧姆损失和浓差损失。按照三种损失在不同的工作阶段所占比重的大小，对应着将整个PEMFC系统的V-I输出特性曲线分成了三段，即活化段I、欧姆段II和浓差段III(如附图2所示)。“水淹”和“膜干”是当前影响质子交换膜燃料电池系统工作性能和可靠性的突出问题，燃料电池长时间工作在活化段I，很容易失水导致阳极“膜干”。燃料电池长时间工作在浓差段III，很容易导致阴极“水淹”。而燃料电池工作在欧姆段，不仅工作稳定，而且电压损耗低，发电效率高。经实验研究，厂家给定的PEMFC输出功率适宜范围均在欧姆段。本文主要目的是控制PEMFC工作在欧姆段，有效地降低了质子交换膜的水淹和膜干的可能性。

发明内容：

本发明是鉴于上述问题作出的，目的在于简化现有的复杂控制策略，提出一种能使燃料电池工作在欧姆段的准确控制方法，该控制方法能够根据当前的输出状态及时地调整燃料电池单元内的含水量及电堆的温度等操作条件，从而使得燃料电池工作在一个稳定、安全的状态。

如附图2所示为质子交换膜燃料电池的理想V-I特性曲线。活化段I和浓差段III这两条曲线的斜率的大小要远大于欧姆段(近似直线)的斜率的大小，而且活化段I和浓差段III这两条曲线的斜率相差不大。基于这个普遍的规律，本发明提出，通过控制PEMFC输出的V-I特性曲线的斜率大小来实现对燃料电池的准确控制，即在PEMFC启动之前，通过给电堆预先升温来提高它的电化学反应速率，使其在启动初期快速达到欧姆段；在PEMFC工作一段时间后，实时监测PEMFC的工作状态，并控制其工作在欧姆段。

为了达成上述目的，本发明所述的燃料电池状态监测方法及系统包括以下步骤：步骤一：给电堆预热。

在启动PEMFC之前，通过水循环系统将电堆温度升高至最佳工作温度值。

步骤二：计算V-I特性曲线在不同电流密度下的斜率k大小并确定PEMFC工作状态。

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。其输出电压可表示为：

U＝E_oc-a-bln(i)-i·r-m·e⁽ⁿⁱ⁾(1)

其中，a＝-RT/αn₀F*ln(i₀)为常数，与交换电流密度i₀、电荷转移系数α以及每摩尔反应物的交换质子数n₀有关。b＝RT/an₀F为Tafel斜率。普适气体常数R＝8.314J/K·mol。法拉第常数F＝96486C/mol。r为单位面积欧姆内阻。i为电流密度，i_max＝1.2A·cm^-2。m、n为拟合常数。

对U求导数得出斜率k：

$k=\left|\frac{dU}{di}\right|=r+\frac{b}{i}+m\·n\·e^{\left(ni\right)}---\left(2\right)$

求出理想V-I特性曲线的拐点：

对斜率k求导数，得： $k^{\′}=-\frac{b}{i^2}+m\·n^2\·e^{\left(ni\right)}---\left(3\right)$

令k′＝0得到拐点Q(i_Q，U_Q)。

如附图2所示，连接Q点和理想V-I特性曲线与两坐标轴的交点，得到两条线段，分别求理想V-I特性曲线到两条线段距离最远的点，得到理想V-I特性曲线的分段点i_a1和i_b1。从而确定PEMFC的工作区间(0，i_a1)，(i_a1，i_b1)和(i_b1，i_max)，这三个区间分别对应活化段、欧姆段和浓差段。

根据当前输出电流大小及斜率值确定PEMFC工作状态：由几何知识可知拐点Q必在欧姆段上，则以Q点的斜率k₀为基准值，测得当前V-I输出特性曲线斜率k₁，求出Δk＝|k₀-k₁|。如附图4为燃料电池在最佳温度t＝60℃时的k-i仿真曲线，根据导出数据可知，在电流密度i∈(i_a1，i_b1)，任意两点间Δk的大小严格遵守Δk≤1。则根据Δk和当前电流密度i₁的范围，确定以下判断标准：

(1)0≤Δk≤1，则燃料电池工作在欧姆段；

(2)Δk＞1，则燃料电池工作在活化段或者浓差段，继续做如下判断：

①如果i₁∈(0，i_a1)，则PEMFC工作在活化段；

②如果i₁∈(i_b1，i_max)，则PEMFC工作在浓差段。

步骤三：针对不同的工作段制定相应的控制策略。

数据采集系统将采集得到的斜率k和电流密度i的信息发送至系统控制器，控制器计算得到斜率k与预设斜率基准值k₀的偏差Δk。

(1)当0≤Δk≤1时，说明当前PEMFC工作在欧姆段，系统稳定。

(2)当Δk＞1时，则分情况产生相应的控制信号：

①若PEMFC工作在活化段，此时燃料电池电化学反应速率较慢，可以通过施加控制信号来增加PEMFC电堆的温度，同时增加电堆反应气体入口压力以及控制氢气和空气的计量比。使得Δk减小，直至0≤Δk≤1，燃料电池工作在欧姆段；

②若PEMFC工作在浓差段，此时PEMFC系统输出的电流密度较大，反应速率较快，温度很高，阴极生成大量的水。应该通过控制水循环系统来降低电堆的温度，减小排水口的排水周期，增加出气口的开度。使得Δk减小，直至0≤Δk≤1，燃料电池恢复到欧姆段。

本发明所述燃料电池系统包括燃料电池电堆、氢气供气管路系统、空气供气管路系统、水循环系统、尾气排放系统、阻抗测试系统、安全监测系统和检测控制系统；

燃料电池电堆作为电力产生的核心部件，包括一个氢气进气口1、一个空气进气口2、一个水循环进水口3、一个尾气排放口4、一个水循环出水口5、一个电压检测口6、一个温度检测口7。其中电压检测口6放置一个电压变送器，温度检测口7放置一个温度传感器b。

氢气供气管路系统从左到右包括氢气瓶、减压阀、电磁阀a、电磁流量计a、增湿器a。其中氢气瓶的输出端接减压阀，减压阀输出端接电磁阀a输入端，电磁阀a输出端接电磁流量计a输入端，电磁流量计a输出端接增湿器a的输入端，增湿器a的输出端接电堆的氢气进气口1。氢气供气管路系统主要为电堆提供氢气，通过减压阀可以调节氢气的压力，通过控制器输出控制信号来调节电磁阀a和电磁流量计a，从而控制进入电堆氢气的流量。

空气供气管路系统从左到右包括空气压缩机、电磁阀b、电磁流量计b、增湿器b。其中空气压缩机的输出端接电磁阀b输入端，电磁阀b输出端接电磁流量计b输入端，电磁流量计b输出端接增湿器b的输入端，增湿器b的输出端接电堆的空气进气口2。空气供气管路系统主要为电堆提供氧气，通过空气压缩机可以调节空气的压力，通过控制器输出控制信号来调节电磁阀b和电磁流量计b，从而控制进入电堆空气的流量。

水循环系统包括水箱、电热棒、水泵、电磁流量计c、温度传感器a、比例调节阀b。其中比例调节阀b放置在电堆的出水口5处，电堆的出水口5接水箱的入口，水箱内置一个功率可调的电热棒，水箱的上方有一个转速可控的风扇，水箱的出口接水泵的入口端，温度传感器a放置在水箱内部，水泵的出口端接电磁流量计c的入口端，电磁流量计c的出口端接电堆的进水口3。水循环系统，在PEMFC启动之前，可以为电堆预热，即通过控制器发出控制信号给电热棒，为水箱中的水加热，然后启动水泵将水箱内加热后的水送入电堆，直至电堆温度升高到预设值，预热完毕。在PEMFC工作一段时间后，水循环系统主要作用是降低电堆的温度，即由于电堆内部的电化学反应，产生大量的热量，会导致电堆温度升高，温度过高会影响PEMFC的正常工作，所以需要及时地降低电堆的温度，通过控制器发送控制信号给风扇，调节水箱中水的温度，然后启动水泵将水箱内冷却后的水送入电堆，从而降低电堆温度。

尾气排放系统包括比例调节阀a。比例调节阀a与尾气排放口4相连。尾气排放系统主要通过控制比例调节阀a的开度排出电堆内部反应不完全的气体。

阻抗测试系统包括电子负载和阻抗测试仪，其中电子负载与燃料电池的正负极相连，阻抗测试仪与电子负载相连。阻抗测试系统主要为电堆串联可调电子负载，实现功率输出，同时可以通过阻抗测试仪测量输出电压、电流和功率等数据。

安全监测系统包括一台氢气探测器，通过氢气探测器可以检测PEMFC是否漏气。

检测控制系统包括上位机PC、控制器、数据采集控制通道，电磁阀a与数据采集控制通道的A通道相连，其中电磁阀b与数据采集控制通道的B通道相连，电磁流量计a与数据采集控制通道的C通道相连，电磁流量计b与数据采集控制通道的D通道相连，电磁流量计c与数据采集控制通道的F通道相连，温度传感器a与数据采集控制通道的H通道相连，比例调节阀b与数据采集控制通道的J通道相连，温度传感器b与数据采集控制通道的M通道相连，阻抗测试仪与数据采集控制通道的L通道相连，风扇与数据采集控制通道的I通道相连，水泵与数据采集控制通道的E通道相连，水箱的电热棒与数据采集控制通道的G通道相连，电压变送器与数据采集控制通道的K通道相连，比例调节阀a与数据采集控制通道的N通道相连，氢气探测器与数据采集控制通道的O通道相连。检测控制系统主要负责对PEMFC的采集和控制，控制器根据采集到的数据计算V-I输出曲线的斜率，并确定PEMFC工作状态，根据不同的状态制定相应的控制策略，实现燃料电池恢复到欧姆段，从而保证PEMFC稳定、安全运行，并通过上位机PC实时地监测PEMFC系统的运行参数及状态。

附图说明：

图1为本发明涉及的燃料电池控制系统图

图2为本发明涉及的燃料电池理想的V-I特性曲线图

图3本发明燃料电池系统的控制流程图

图4本发明燃料电池在最佳温度t＝60℃时的k-i仿真曲线

图5本发明燃料电池工作在活化段时k的响应时间图

图6本发明燃料电池工作在浓差段时k的响应时间图

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，关于燃料电池系统的状态监控方法进行说明。接着，基于该方法结合燃料电池系统进行说明。

本发明所述的PEMFC系统的状态监控方法包括以下步骤：

步骤一：给电堆预热。

在PEMFC运行之前，控制器发送控制信号给电热棒，给水箱中的水加热，然后控制器向水泵发送控制信号，并控制水泵以10r/s(低速)的转速转动，将水箱中的水输送到电堆的进水口3，直到温度传感器b检测到电堆的温度为60℃，此时水泵停止转动，电堆预热完毕。

步骤二：计算V-I特性曲线在不同电流密度下的斜率k大小并确定PEMFC工作状态。

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。附图2所示的是本燃料电池最优输出V-I曲线图，其输出电压可表示为：

U＝E_oc-a-bln(i)-i·r-m·e⁽ⁿⁱ⁾(1)

其中，a＝-RT/αn₀F*ln(i₀)为常数，与交换电流密度i₀、电荷转移系数α以及每摩尔反应物的交换质子数n₀有关。b＝RT/αn₀F为Tafel斜率。普适气体常数R＝8.314J/K·mol。法拉第常数F＝96486C/mol。r为单位面积欧姆内阻。i为电流密度，i_max＝1.2A·cm^-2。m、n为拟合常数。

对U求导数得出斜率k：

$k=\left|\frac{dU}{di}\right|=r+\frac{b}{i}+m\·n\·e^{\left(ni\right)}---\left(2\right)$

求出理想V-I特性曲线的拐点：

对斜率k求导数，得： $k^{\′}=-\frac{b}{i^2}+m\·n^2\·e^{\left(ni\right)}---\left(3\right)$

令k′＝0得到拐点Q(i_Q，U_Q)。

如附图2所示，连接Q点和理想V-I特性曲线与两坐标轴的交点，得到两条线段，分别求理想V-I特性曲线到两条线段距离最远的点，得到理想V-I特性曲线的分段点i_a1和i_b1。从而确定PEMFC的工作区间(0，i_a1)，(i_a1，i_b1)和(i_b1，i_max)，这三个区间分别对应活化段、欧姆段和浓差段。

根据当前输出电流大小及斜率值确定PEMFC工作状态：燃料电池在运行过程中，通过阻抗测试仪测得当前电子负载下的电压U₁、电流密度i₁的大小，并通过采集控制通道的L通道采集的电压U₁、电流密度i₁数据发送给控制器，控制器同时根据温度传感器b采集到的电堆温度值T来计算当前电流密度下PEMFC的V-I特性曲线的斜率k₁。以欧姆段Q点的斜率k₀为基准值，求出Δk＝|k₀-k₁|。根据Δk和电流密度i₁的范围，确定以下判断标准：

(1)0≤Δk≤1，则燃料电池工作在欧姆段；

(2)Δk＞1，则燃料电池工作在活化段或者浓差段，继续做如下判断：

a)如果i₁∈(0，i_a1)，则确定PEMFC工作在活化段；

b)如果i₁∈(i_b1，i_max)，则确定PEMFC工作在浓差段。

步骤三：针对不同的工作段制定相应的控制策略。

控制器根据采集得到的数据计算出斜率k，得到斜率k与预设斜率基准值k₀的偏差Δk，通过采集到的电流密度i判断PEMFC工作状态，然后针对不同的工作状态产生相应的控制信号。

(1)当PEMFC工作在欧姆段时，系统工作稳定、高效，则控制器不产生控制信号，继续监测系统状态。

(2)当PEMFC工作在活化段时，控制器通过G通道发送控制指令开启电热棒，同时通过E通道发送控制指令来调节水泵的转速，同时通过调节减压阀来增加电堆反应气体入口1压力以及控制电磁流量计a和电磁流量计b使得氢气和空气流量比为理想值，直到检测到0≤Δk≤1且i∈(i_a1，i_b1)，燃料电池工作恢复到欧姆段；

(3)当PEMFC工作在浓差段时，控制器通过I通道发送控制指令来增加风扇转速，降低水箱温度，通过J通道发送控制指令增大比例调节阀b的开度，通过N通道发送控制指令来增加比例调节阀a的开度，直到检测到0≤Δk≤1且i∈(i_a1，i_b1)，燃料电池恢复到欧姆段。

本发明具有以下特点：

1)本发明引入一种新型的PEMFC状态监控方法，V-I特性曲线斜率控制法，通过该方法可以使得PEMFC系统稳定地工作在欧姆段。2)采用能够反映燃料电池电堆内部真实性状的斜率k信号的反馈控制机制实现燃料电池系统的自动调节。3)引入斜率k来调节PEMFC系统，通过双重判断机制，控制精确度高，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5和图6所示。图5为本发明燃料电池工作在活化段时k的响应时间图。图5中0-20s燃料电池正处于稳定性高、效率最高的欧姆段运行，在t＝20s时本发明检测到燃料电池的斜率k迅速升高，并通过检测到的电流密度准确地判断PEMFC处于活化段并通过控制器产生控制信号给燃料电池。s1为燃料电池由欧姆段转向活化段时斜率k增加的过程，s2为燃料电池经控制器调节后趋于稳定运行状态的过程。由图5可以看出，本发明对燃料电池从活化段恢复至稳定状态的调节响应能够在20s以内完成。图6本发明燃料电池工作在欧姆段时k的响应时间图。图6中0-20s燃料电池正处于稳定性高、效率最高的欧姆段运行，在t＝20s时本发明检测到燃料电池的斜率k迅速升高，但是受到燃料电池本身条件的限制，斜率k达到62.5左右时其值不会再增加，通过检测到的电流密度准确地判断PEMFC处于浓差段并通过控制器产生控制信号给燃料电池。s3为燃料电池由欧姆段转向浓差段时斜率k增加的过程，s4为燃料电池经控制器调节后趋于稳定运行状态的过程，由于PEMFC在浓差段电化学反应非常剧烈，产生大量的热，使得电堆的温度比较高，通过风扇调节水箱中水的温度会有滞后性，所以控制器最终使PEMFC恢复至欧姆段需要较长的时间，如图6所示，大约需要40s左右。

通过以上分析可知：本发明通过引入V-I特性曲线斜率k作为燃料电池的工作状态监控指标，能够准确的反映燃料电池的工作状态，通过控制器对燃料电池进行调节，使得燃料电池工作在稳定、高效的欧姆段。该方法控制简单、判断准确、实用性强。

Claims (4)

1.一种水冷型质子交换膜燃料电池的状态监控方法及系统，其特征在于：监测燃料电池的运行参数，引入理想V-I特性曲线斜率k的大小作为控制指标，利用控制器产生控制信号，控制燃料电池快速地通过活化段而稳定地工作在在欧姆段，避免长时间地工作在浓差段，具体包括以下步骤：

步骤一，给电堆预热：在启动PEMFC之前，通过水循环系统将电堆温度升高至最佳工作温度值；

步骤二，计算V-I特性曲线在不同电流密度下的斜率k大小并确定PEMFC工作状态：根据本燃料电池最优输出V-I特性曲线，可表示出其输出电压：

U＝E_oc-a-bln(i)-i·r-m·e⁽ⁿⁱ⁾(1)

其中，a＝-RT/αn₀F*ln(i₀)为常数，与交换电流密度i₀、电荷转移系数α以及每摩尔反应物的交换质子数n₀有关；b＝RT/αn₀F为Tafel斜率；普适气体常数R＝8.314J/K·mol；法拉第常数F＝96486C/mol；r为单位面积欧姆内阻；i为电流密度，i_max＝1.2A·cm^-2；m、n为拟合常数；对U求导数得出斜率k：

求出理想V-I特性曲线的拐点：

对斜率k求导数，得

令k′＝0得到拐点Q(i_Q，U_Q)，利用几何关系求得理想V-I特性曲线的分段点i_a1和i_b1，从而确定PEMFC的工作区间(0，i_a1)，(i_a1，i_b1)和(i_b1，i_max)，这三个区间分别对应活化段、欧姆段和浓差段；根据当前输出电流大小及斜率值确定PEMFC工作状态，由几何知识可知拐点Q必在欧姆段上，则以Q点的斜率k₀为基准值，测得当前V-I输出特性曲线斜率k₁，求出Δk＝|k₀-k₁|。由仿真曲线导出的数据可知，在电流密度i∈(i_a1，i_b1)，任意两点间Δk的大小严格遵守Δk≤1。则根据Δk和当前电流密度i₁的范围，确定以下判断标准：

(1)0≤Δk≤1，则燃料电池工作在欧姆段；

(2)Δk＞1，则燃料电池工作在活化段或者浓差段，继续做如下判断：

a)如果i₁∈(0，i_a1)，则确定PEMFC工作在活化段，

b)如果i₁∈(i_b1，i_max)，则确定PEMFC工作在浓差段；

步骤三，针对不同的工作段制定相应的控制策略：控制器根据采集得到的数据计算出斜率k，得到斜率k与预设斜率基准值k₀的偏差Δk，同时根据采集到的电流密度i判断PEMFC工作状态，然后针对不同的工作状态产生相应的控制信号，

(1)当PEMFC工作在欧姆段时，说明PEMFC工作在较稳定的状态，控制器继续监测系统运行状态。

(2)当PEMFC工作在活化段时，控制器通过发送控制指令调节水循环系统来给电堆加热，同时通过调节减压阀来增加氢气压力以及控制氢气和空气流量比为理想值，直到检测到0≤Δk≤1且i∈(i_a1，i_b1)，燃料电池工作恢复到欧姆段；

(3)当PEMFC工作在浓差段时，控制器通过控制水循环系统来给电堆降温，同时减小尾气排放口和排水口的排放周期，直到检测到0≤Δk≤1且i∈(i_a1，i_b1)，燃料电池恢复到欧姆段。

2.一种水冷型质子交换膜燃料电池的监控系统，其特征在于：包含燃料电池电堆、氢气供气管路系统、空气供气管路系统、水循环系统、尾气排放系统、阻抗测试系统、安全监测系统、检测控制系统。

3.根据权利要求1所述的燃料电池的工作状态监控方法，其特征在于：所述斜率k是基于质子交换膜燃料电池的最佳V-I特性曲线计算得到，水循环系统既有给电堆升温功能也有降温功能。

4.根据权利要求1所述的燃料电池的状态监控方法及系统，其特征在于：所述控制器为PID控制器，以斜率k₀为基准值，根据偏差信号Δk产生相应的控制信号，调整所述燃料电池的进气压力、电堆温度、排气量、水循环系统及负载大小，使得燃料电池工作在欧姆段为控制目标。