CN109841879B

CN109841879B - 燃料电池水含量估计系统、方法、计算机设备及存储介质

Info

Publication number: CN109841879B
Application number: CN201910040798.5A
Authority: CN
Inventors: 李建秋; 江宏亮; 徐梁飞; 洪坡; 欧阳明高
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Beijing Yikong Hydrogen Energy Technology Co ltd
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2020-01-24
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: CN109841879A

Abstract

本申请提供的所述燃料电池水含量估计方法是基于交流阻抗和水传递模型的质子交换膜水含量估计方法。所述燃料电池水含量估计方法对燃料电池水含量的标定时工作量较小，能够定量估计燃料电池的平均水含量和水含量分布规律。所述燃料电池水含量估计方法不但能够定性的反应燃料电池内部水含量，也能够反映燃料电池膜电极平均水含量，燃料电池水含量的分布规律。

Description

燃料电池水含量估计系统、方法、计算机设备及存储介质

技术领域

本申请涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池水含量估计系统、方法、计算机设备及存储介质。

背景技术

燃料电池是一种电化学发电设备，其原理是：燃料(例如氢)和氧化剂(例如空气)通过膜电极进行电化学反应，产生电动势。质子交换膜燃料电池通常采用能够传递质子的固体高分子膜作为电解质，反应过程中，质子通过膜从阳极传递到阴极，电子通过外接负载从阳极传递到阴极。质子交换膜燃料电池具有高效率、零排放等优点，是电动汽车理想的动力源。质子交换膜燃料电池工作过程中，内部水含量对于性能和耐久性均有较大的影响。内部水含量过低，质子交换膜的质子传导率下降，由质子传输导致的电压降增大，系统的输出电压下降，效率变低。过干的情况还可能影响燃料电池内部质子交换膜、催化剂层、气体扩散层等各层之间的接触，导致耐久性问题。内部水含量过高，会出现“水淹”现象，即燃料电池内部出现液态水，阻碍了反应气体的传输导致缺气，导致性能下降。因此水含量过高和过低都会带来负面影响，水管理成为了燃料电池研究中的一个关键问题。

质子交换膜燃料电池的水管理问题中，水含量的估计是关键问题。由于燃料电池结构精细，内部结构均为几十到几百微米厚的薄层，在实验室当中可以采用中子成像、透明燃料电池、X射线衍射、打孔微型照相机照相的方法测量水含量。但实验室中的这些方法难以实现精确地定量测量水含量，并且无法应用时实际系统当中。

传统的燃料电池水含量估计方法中，用气体压力降估计水含量。该方法仅适用于水含量较多并且出现液态水的情况下的估计，在无液态水的情况下估计结果精度较差。并采用气体压力降估计水含量得到的仅为定性关系，需要对特定的燃料电池进行实验标定后才能得到水含量，该方法适用范围较窄。

发明内容

基于此，有必要针对传统的方法仅能估计水含量的定性关系的问题，提供一种燃料电池水含量估计系统、方法、计算机设备及存储介质。

一种燃料电池水含量估计方法，

S100，获取燃料电池的高频阻抗以及燃料电池的进气条件和排气条件；

S200，根据所述高频阻抗、所述进气条件和所述排气条件计算燃料电池的阳极进气摩尔分数和阴极进气摩尔分数；

S300，根据所述阳极进气摩尔分数计算阳极腔室气体浓度，根据所述阴极进气摩尔分数计算阴极腔室气体浓度；

S400，根据阳极腔室气体浓度和阴极腔室气体浓度计算净水传递系数；

S500，基于质子交换膜燃料电池水传递模型结合所述净水传递系数，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量分布规律，以得出燃料电池膜电极平均水含量以及燃料电池水含量的分布规律。

在一个实施例中，所述燃料电池膜电极平均水含量用以下公式获得：

λ为所述燃料电池膜电极平均水含量，χ_W表示水的摩尔分数，P表示气体总压强，P_sat表示饱和蒸气压。

在一个实施例中，所述燃料电池膜电极平均水含量满足函数关系式σ＝f(λ，T)其中，σ为质子交换膜质子传导电导率，λ为所述燃料电池膜电极平均水含量，T为燃料电池的温度，所述函数关系式σ＝f(λ，T)通过实验测量得到。

在一个实施例中，所述步骤S400，根据阳极腔室气体浓度和阴极腔室气体浓度计算净水传递系数的步骤包括：

S410，提供净水传递系数的初始值；

S420，计算燃料电池阳极腔室平均水蒸气分压和阴极腔室平均水蒸气分压；

S430，根据所述阳极腔室平均水蒸气分压计算膜电极和阳极气体扩散层界面水含量；

S440，根据所述阴极腔室平均水蒸气分压计算所述膜电极和阴极气体扩散层界面水含量；

S450，根据所述膜电极和阳极气体扩散层界面水含量以及所述净水传递系数的初始值，基于质子交换膜水传递模型，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量；

S460，将步骤S440得到的减去步骤S450中得到的水含量作差，得到膜电极和阴极气体扩散层界面水含量的误差值；

S470，判断所述膜电极和阴极气体扩散层界面水含量的误差值是否满足预设条件；

S480，若满足所述预设条件，则所述净水传递系数的初始值设置成功，若不满足所述预设条件，则返回所述步骤410，重新确定所述净水传递系数的初始值。

在一个实施例中，所述步骤S470中，所述预设条件为：判断条件是所述净水传递系数是否收敛。

在一个实施例中，所述步骤S430之前，还包括：

S421，根据所述阳极腔室平均水蒸气分压和所述阴极腔室平均水蒸气分压，判断燃料电池是否偏干；阳极腔室平均水蒸气分压

S422，若所述阳极腔室平均水蒸气分压小于阳极水蒸气分压阈值则阳极腔室偏干，计算阳极气体扩散层水蒸气分布；

S423，若所述阴极腔室平均水蒸气分压小于阴极水蒸气分压阈值则阴极腔室偏干，计算阴极气体扩散层水蒸气分布。

在一个实施例中，所述步骤S420之后还包括：

S424，如果阳极腔室平均水蒸气分压大于等于阳极水蒸气分压阈值则阳极腔室偏湿，则执行步骤S430；

S426，如果阴极腔室平均水蒸气分压大于等于阴极水蒸气分压阈值则阴极腔室偏湿，则执行步骤S440。

一种燃料电池水含量估计系统，包括：

交流阻抗测量装置，与燃料电池的电能输出端电连接，用于实时测量燃料电池的高频阻抗；

进排气条件测量装置，设置于燃料电池的阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口和阴极出气口，用于实时测量燃料电池进出口的进气条件和排气条件；以及

水含量估计装置，分别与所述交流阻抗测量装置和所述进排气条件测量装置通信连接，用于获取所述高频阻抗、所述进气条件和所述排气条件，还用于基于质子交换膜燃料电池水传递模型结合所述净水传递系数，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量分布规律，以得出燃料电池膜电极平均水含量以及燃料电池水含量的分布规律。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的燃料电池水含量估计方法流程图；

图2为本申请一个实施例中提供的燃料电池水含量估计方法流程图；

图3为本申请一个实施例中提供的燃料电池水含量估计系统的结构图；

图4为本申请一个实施例中提供的较干情况下燃料电池的水含量分布；

图5为本申请一个实施例中提供的较湿情况下燃料电池的水含量分布。

附图标号说明：

燃料电池水含量估计系统 100

交流阻抗测量装置 110

进排气条件测量装置 120

水含量估计装置 130

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请涉及的燃料电池水含量估计系统、方法、计算机设备及存储介质进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供了一种燃料电池水含量估计方法，可以实时在线估计燃料电池的内部水含量。所述燃料电池水含量估计方法用以监控燃料电池工作状态，向燃料电池控制器提供反馈，以控制燃料电池工作在合理状态下。

本方案利用在线测量的燃料电池交流阻抗，用高频阻抗值估计膜电极平均水含量，基于燃料电池膜电极模型和外部工作条件，在线估计净水传递系数从而得出水含量分布规律。根据估计得出的膜电极平均水含量和分布规律即可提供较为全面的水含量信息。

请参阅图1，所述燃料电池水含量估计方法包括：

S100，获取燃料电池的高频阻抗以及燃料电池的进气条件和排气条件。本步骤中，可以通过阻抗测量器、DC/DC变换器(DC/DC变换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器)或者电化学工作站，均能够实时测量燃料电池的交流阻抗。所述高频阻抗通常指的是320Hz～1kHz，在一个实施例中，所述高频阻抗的频率为320Hz。所述进气条件可以包括燃料电池的进气温度、进气湿度、进气压力和进气流量。燃料电池的排气条件可以包括排气温度和排气压力。

S200，根据所述高频阻抗、所述进气条件和所述排气条件计算燃料电池的阳极进气摩尔分数和阴极进气摩尔分数。本步骤中，所述阳极进气摩尔分数可以是进气口水蒸气的摩尔分数。所述阴极进气摩尔分数可以是出气口水蒸气的摩尔分数。

S300，根据所述阳极进气摩尔分数计算阳极腔室气体浓度，根据所述阴极进气摩尔分数计算阴极腔室气体浓度。本步骤中，根据所述阴极进气摩尔分数可以计算出阴极腔室气体浓度，具体的计算方法在此不作限定。同样的，根据所述阳极进气摩尔分数计算所述阳极进气摩尔分数的计算方法在此不作限定

S400，根据阳极腔室气体浓度和阴极腔室气体浓度计算净水传递系数。所述净水传递系数可以是一种设定参数。比如所述净水传递系数的初始值可以设置为0，然后开始迭代计算，直至所述净水传递系数满足模型的适用条件。在另一个实施例中，所述净水传递系数可以先给出确定的数值，或者查表得到所述净水传递系数的初值。

S500，基于质子交换膜燃料电池水传递模型结合所述净水传递系数，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量分布规律，以得出燃料电池膜电极平均水含量以及燃料电池水含量的分布规律。本步骤中，燃料电池水含量的分布规律可以是如图4(偏干)或者图5(偏湿)所示的分布情况。在一个实施例中，膜电极和阴极气体扩散层界面水含量分布规律和燃料电池水含量的分布规律一致。在另一个实施例中，膜电极和阴极气体扩散层界面水含量分布规律和燃料电池水含量的分布规律不一致。

本申请提供的所述燃料电池水含量估计方法是基于交流阻抗和水传递模型的质子交换膜水含量估计方法。所述燃料电池水含量估计方法对燃料电池水含量的标定时工作量较小，能够定量估计燃料电池的平均水含量和水含量分布规律。所述燃料电池水含量估计方法不但能够定性的反应燃料电池内部水含量，也能够反映燃料电池膜电极平均水含量，燃料电池水含量的分布规律以及燃料电池内部水含量最高和最低值。

λ为所述燃料电池膜电极平均水含量，通常用燃料电池堆进出口的冷却水的温度平均得到。如果大于1表示超过饱和值，存在液态水。χ_W表示水的摩尔分数，P表示气体总压强，P_sat表示饱和蒸气压。

本实施例中，所述燃料电池膜电极平均水含量为λ，根据参数

的不同大小，可以确定所述燃料电池膜电极平均水含量应该适用的不同函数表达式。如果

大于1(或者是大于等于1并且小于等于3)，则表示参数

超过饱和值，燃料电池膜电极中存在液态水，所述燃料电池膜电极平均水含量

如果

小于1(大于0且小于1)，则表示参数

没有超过饱和值，燃料电池膜电极中不存在液态水，所述燃料电池膜电极平均水含量

采用本实施例中给出的所述燃料电池膜电极平均水含量的计算方法使得燃料电池水含量估计方法计算燃料电池的膜电极内水含量的精度更高。

在一个实施例中，所述燃料电池膜电极平均水含量满足函数关系式σ＝f(λ，T)。其中，σ为质子交换膜质子传导电导率，λ为所述燃料电池膜电极平均水含量，T为燃料电池的温度，所述函数关系式σ＝f(λ，T)通过实验测量得到。具体的在不同的实验中所述函数关系式可以随着燃料电池的材料结构的改变而变化。

本实施例中，因为随着燃料电池的材料或者结构的变化，所述质子交换膜质子传导电导率和所述燃料电池膜电极平均水含量之间的关系会发生改变。根据所述函数关系式σ＝f(λ，T)可以拟合出不同的关系式。比如，在一个实施例中，经过计算拟合之后，所述函数关系式σ＝f(λ，T)可以满足：

的关系式。

请参阅图2，在一个实施例中，所述步骤S400，根据阳极腔室气体浓度和阴极腔室气体浓度计算净水传递系数的步骤包括：

S410，提供净水传递系数的初始值。比如可以设定所述净水传递系数的初始值为0。在所述净水传递系数初始值的基础上进行一步步的迭代运算得到适合特定燃料电池的净水传递系数。

S420，计算燃料电池阳极腔室平均水蒸气分压和阴极腔室平均水蒸气分压。本步骤中可以根据阳极进气条件和阳极排气条件，计算阳极腔室平均水蒸气分压p_w,A,0和阳极腔室平均水蒸气浓度c_w,A,0。根据阴极进气条件和阴极排气条件，计算阴极腔室平均水蒸气分压p_w,c,0和阴极腔室平均水蒸气浓度c_w,c,0。

S430，根据所述阳极腔室平均水蒸气分压计算膜电极和阳极气体扩散层界面水含量。S440，根据所述阴极腔室平均水蒸气分压计算所述膜电极和阴极气体扩散层界面水含量。

S450，根据所述膜电极和阳极气体扩散层界面水含量以及所述净水传递系数的初始值，基于质子交换膜水传递模型，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量。本步骤中，具体的计算公式可以采用：

其中α为净水传递系数，I为电流强度，F为法拉第常数，M_W为水摩尔质量，0.018kg/mol，N_fc为电池单片的数量。n_drag为电拖拽系数n_drag＝2.5λ/22。D_W,MEA,eff为膜内水传递系数，c_W,Ca为阴极催化剂层-膜界面水含量，c_W,An为阳极催化剂层-膜界面水含量，t_mem为膜电极的厚度。从上述式子，已知所述净水传递系数情况下，可以根据膜电极与阳极气体扩散层界面水含量计算膜电极与阴极气体扩散层界面水含量，也可以根据膜电极与阴极气体扩散层界面水含量计算膜电极与阳极气体扩散层界面水含量。

S460，将步骤S440得到的减去步骤S450中得到的水含量作差，得到膜电极和阴极气体扩散层界面水含量的误差值。S470，判断所述膜电极和阴极气体扩散层界面水含量的误差值是否满足预设条件。

在所述步骤S460和所述步骤S470中，采用迭代计算，计算出一个净水传递系数α。用后一个净水传递系数减去前一个净水传递系数判断是否收敛，即更新得到的净水传递系数α和上一次迭代得到的净水传递系数α的差值是否小于一定阈值。也可以说所述预设条件是判断每一个误差值是否越来越小。所述预设条件是所述误差值是否收敛。比如，所述净水传递系数是否收敛可以通过判断更新得到的所述净水传递系数和上一次迭代得到的所述净水传递系数的差值是否小于一定阈值。比如所述阈值可以是0.001-0.00001。

本实施例中，提供一种通过判断所述膜电极和阴极气体扩散层界面水含量的误差值是否满足预设条件，来确定所述净水传递系数初始值的方法。在所述质子交换膜燃料电池水传递模型中，所述净水传递系数α的确定对于水含量分布规律的确定非常重要。

在一个实施例中，所述步骤S430之前，还包括：

S421，根据所述阳极腔室平均水蒸气分压和所述阴极腔室平均水蒸气分压，判断燃料电池是否偏干。

S422，若所述阳极腔室平均水蒸气分压小于阳极水蒸气分压阈值则阳极腔室偏干，计算阳极气体扩散层水蒸气分布。

本实施例中，给出一种燃料电池是否偏干的判断方法。在判断燃料电池偏干之后可以更加精确的给出估计燃料电池内部水含量的计算方法。

在一个实施例中，所述步骤S420之后还包括：

S424，如果阳极腔室平均水蒸气分压大于等于阳极水蒸气分压阈值则阳极腔室偏湿，则执行步骤S430。

本实施例中，给出一种燃料电池是否偏湿的判断方法。在判断燃料电池偏湿之后可以更加精确的给出估计燃料电池内部水含量的计算方法。

请参阅图3，在本申请一个实施例中提供了所述燃料电池水含量估计方法涉及的硬件模块及其连接关系。一种燃料电池水含量估计系统100包括交流阻抗测量装置110、进排气条件测量装置120和水含量估计装置130。

所述交流阻抗测量装置110与燃料电池的电能输出端电连接，用于实时测量燃料电池的高频阻抗。所述交流阻抗测量装置110可以是阻抗测量器、DC/DC变换器(DC/DC变换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器)或者电化学工作站，均能够实时测量燃料电池的交流阻抗。所述高频阻抗通常指的是320Hz～1kHz，在一个实施例中，所述高频阻抗的频率为320Hz。

所述进排气条件测量装置120设置于燃料电池的阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口和阴极出气口，用于实时测量燃料电池进出口的进气条件和排气条件。所述进排气条件测量装置120可以是传感器。比如所述进排气条件测量装置可以包括温度传感器、湿度传感器、重量传感器或者压力传感器。所述燃料电池进排气条件可以包括气体流量、气体温度或者气体湿度。具体的，燃料电池的进气条件可以包括进气温度、进气湿度、进气压力和进气流量。燃料电池的排气条件可以包括排气温度和排气压力。

所述水含量估计装置130分别与所述交流阻抗测量装置和所述进排气条件测量装置通信连接，用于获取所述高频阻抗、所述进气条件和所述排气条件，还用于基于质子交换膜燃料电池水传递模型结合所述净水传递系数，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量分布规律，以得出燃料电池膜电极平均水含量以及燃料电池水含量的分布规律。

采用所述燃料电池水含量估计方法，确定燃料电池的标定参数，所述标定参数包括固定电阻R0、接触阻抗、燃料电池单片面积、膜厚度、阴极流道体积、阳极流道体积、水蒸气在阴极气体扩散层的扩散系数、气体扩散层的厚度、水蒸气在阳极气体扩散层的扩散系数。其中气体扩散层简称GDL，是Gas diffusion layer的缩写。

在一个具体的实施例中，在线进行所述燃料电池水含量估计方法主要分为三大步：

(1)获取燃料电池高频阻抗和燃料电池进气条件和排气条件；

利用所述交流阻抗测量装置110实时测量燃料电池堆高频阻抗，利用所述进排气条件测量装置120实时测量燃料电池进出口的进排气条件。所述交流阻抗测量装置110用于实现对燃料电池交流阻抗的测量。

具体实施方式为：

所述交流阻抗测量装置110通过施加特定频率交流扰动电流或者交流扰动电压，对应的测量燃料电池的输出电压或电流的交流信号，从而计算得到燃料电池实时的交流阻抗信号。

选取传感器作为所述进排气条件测量装置120。将传感器安装在燃料电池的阴极空气进口、出口，阳极氢气进口、出口处。传感器可以测量的物理量包括流气体量、气体温度、气体湿度等。

对于阴极：根据进气湿度可以算出水蒸气摩尔分数，从而计算出进气水蒸气的量N_W，Ca，In：

N_W,Ca,In＝x_W,Ca,InN_Ca,In 公式(1)

其中，N_W，Ca，In为进气水蒸气的量，χ_W，Ca，In为水蒸气摩尔分数，N_Ca，In为进气总量，Q_Ca,In为阴极进气的体积流量单位是mol/s。

阴极出气水蒸气的量为N_W，Ca，Out：

其中，

表示反应生成的水，N表示从阳极到阴极的水通量，N_W，ca，Out为阴极出气水蒸气的量。

根据阴极腔室模型假设：N_W,Ca,Out＝x_W,CaN_Ca,Out，此公式表示已知阴极氧气，阴极氮气和阴极水蒸气的出口流量，就可以计算出阴极出口水蒸气的比例。具体可通过以下公式表示：

N_W,Ca,Out＝x_W,CaN_Ca,Out＝x_W,Ca(N_W,Ca,Out+N_Oxy,Ca,Out+N_Nitro,Ca,Out) 公式(4)

N_Ca,Out＝N_W,Ca,Out+N_Oxy,Ca,Out+N_Nitro,Ca,Out 公式(6)

等式右边的参数分别N_W,Ca,Out表示水含量输出值，N_Oxy,Ca,Out氧气含量输出值和N_Nitro,Ca,Out氮气含量输出值。N_Ca,Out表示阴极腔室气体含量输出值x_W,Ca表示阴极进气的摩尔分数。

N_Nitro,Ca,In＝N_Nitro,Ca,Out 公式(8)

结合氮气的输入浓度等于氮气的输出浓度，可以算出阴极进气的摩尔分数x_W,Ca。

对于阳极，根据进气湿度可以算出水蒸气摩尔分数，从而计算出进气水蒸气的量N_W,An,In：

N_W,An,In＝x_W,An,InN_An,In 公式(9)

N_W,An,In表示进气总量，Q_An,In表示体积流量。

N_W,An,Out＝N_W,An,In-N 公式(11)

其中，N表示从阳极到阴极的水通量。根据阴极腔室模型假设：

N_W,An,Out＝x_W,AnN_An,Out 公式(12)

N_An,Out＝N_W,An,Out+N_Hydro,An,Out 公式(13)

N_W,An,Out表示水含量输出值，N_oxy,An,Out氧气含量输出值和N_Nitro,An,Out氮气含量输出值。N_An,Out表示阳极腔室气体含量输出值x_W，An表示阳极进气的摩尔分数。具体的，阳极水通量和阳极水含量是不一样。这里N是通量，即通过一个位置到另一个位置的流量。结合以上三个式子可以算出阳极进气的摩尔分数x_W,An和阴极进气的摩尔分数x_W,Ca。

(2)根据高频阻抗估计燃料电池膜电极平均水含量。

在一个实施例中，根据高频阻抗估计燃料电池膜电极平均水含量的过程可以在水含量估计装置中进行。在另一个实施例中，根据高频阻抗估计燃料电池膜电极平均水含量的过程可以通过计算程序的嵌入式控制器实现。在另一实施例中，根据高频阻抗估计燃料电池膜电极平均水含量的过程可以通过计算软件编程实现。

第(2)步中可以由以下几个步骤组成：

步骤2.1：用测量得到的高频阻抗减去固定电阻R0，得到膜电极的阻抗。

步骤2.2：利用膜电极阻抗计算公式R＝L_PEM/(S*σ)，计算得到膜内平均质子传导电导率σ，水含量通常用λ表示，其物理意义是膜内一个磺酸基团对应的水分子的数目。上式中R表示电阻，L_PEM表示膜厚度，S表示面积，σ表示平均质子传导率。

步骤2.3：根据质子交换膜质子传导电导率σ和水含量λ的关系，计算得到膜电极的平均水含量。

通常参考已有实验测得的结果

得到平均水含量λ后，可以换算成水蒸气摩尔分数和液态水饱和度。T是温度，通常用燃料电池堆进出口的冷却水的温度平均得到。

χ_W表示水的摩尔分数，P表示气体总压强，p_sat表示饱和蒸气压

如果大于1表示超过饱和值，存在液态水，一般

(3)判断是否需要估计水含量分布。判断依据为预先设定的水含量估计误差，电流密度大小等。在一个实施例中，设定一定的电流密度阈值，如果实际测得的电流密度大于等于电流密度阈值，则估计水含量分布，如果实际测得的电流密度小于电流密度阈值，则不需要估计水含量分布。具体的所述电流密度阈值可以设置为低、中、高三种。低电流密度的典型值可以是0.4A/cm²。中电流密度的典型值可以是0.8A/cm²。高电流密度的典型值可以是1.2A/cm²。本实施例中，电流密度阈值可以取0.8A/cm²，实际取值可以根据实际系统进行调整。比如所述电流密度阈值的取值还可以随着工作温度变化而调整。

第(3)步的计算在与第(2)步相同的水含量估计装置中进行。第(3)步具体包括以下步骤：

步骤3.1：选定净水传递系数初始值。实时测量系统中，启动的时候使用预设初始值，或者根据进气条件和电流密度，根据预设的数据查出初始值。后续迭代计算中可以每次重设初始值，也可以利用上一步的迭代结果作为初始值。净水传递系数初始值也可以是预先存储一个表格，表格中包括：进排气条件、电流密度和设定初始值的数据表，使用时从这个表格中查找设定初始值。

在一个实施例中，净水传递系数初始值可以设置为0，然后开始迭代计算。在另一个实施例中，净水传递系数初始值也可以进行事先标定，生成查找表，查表得到的初值比较接近真实值。本实施例中，净水传递系数的初始值定义为α，然后进行迭代求解，然后求出净水传递系数的使用值。净水传递量与质子传递方向相同，阳极向阴极为正方向。

单位为mol/s。F是指法拉第常数96485C/mol。I是电流。R是气体常数，R为8.314J/mol/K。T是温度。

步骤3.2：根据阳极进排气条件，通过公式(17)和公式(18)计算阳极腔室平均水蒸气分压p_W,A，0和阳极腔室平均水蒸气浓度c_w,A,0：

p_W,A，0＝x_W,Anp_A 公式(18)

步骤3.3：根据阴极进排气条件，通过公式(19)和公式(20)计算阴极腔室平均水蒸气分压p_w,c,0和阴极腔室平均水蒸气浓度c_w,c,0：

p_W,C，0＝x_W,Cap_C 公式(20)

步骤3.4：根据步骤3.2和步骤3.3得到阳极和阴极腔室平均水蒸气分压，判断是否偏干。具体判断条件是：如果阳极腔室平均水蒸气分压小于阳极水蒸气分压阈值则阳极腔室偏干。如果阳极腔室平均水蒸气分压大于等于阳极水蒸气分压阈值则阳极腔室偏湿。如果阴极腔室平均水蒸气分压小于阴极水蒸气分压阈值则阴极腔室偏干。如果阴极腔室平均水蒸气分压大于等于阴极水蒸气分压阈值则阴极腔室偏湿。以上，如果判断的结果是偏干，则执行步骤3.5和步骤3.6。如果判断的结果是偏湿，则跳过步骤3.5和步骤3.6，直接执行步骤3.7。

此处进行判断主要是因为如果属于偏干的情况，气体扩散层中水传递为水蒸气传输因此存在明显的浓度分布，需要再结合气体扩散层的水传递模型计算膜电极与气体扩散层的界面的水含量。

步骤3.5：根据阳极腔室平均水蒸气分压和净水传递系数计算阳极气体扩散层与膜电极界面水蒸气浓度c_W,A,1。阳极气体扩散层水蒸气分布为线性分布。

公式(21)中c_W,A,1表示阳极气体扩散层与膜电极界面处的水蒸气含量。具体N是指从阳极流道向阳极催化剂层的水的通量(mol/s)，稳态下也等于穿过膜，从阳极到阴极的水的通量。

c_W,A,0为阳极腔室平均水蒸气浓度，c_W,A,1是指阳极流道-GDL界面水浓度，c_W,A,0指阳极催化剂层-GDL界面水浓度，D_W,GDL扩散系数，d_GDLGDL厚度。

步骤3.6：根据阴极腔室平均水蒸气分压和净水传递系数计算计算阴极气体扩散层与膜电极界面水蒸气浓度c_W,C,1。阴极气体扩散层水蒸气分布为线性分布。

c_W,C,1是指阴极流道-GDL界面水浓度，c_W,C,0指阴极催化剂层-GDL界面水浓度，D_W,GDL扩散系数，d_GDLGDL厚度。

步骤3.7：计算膜电极和阳极气体扩散层界面水含量。如果偏干，则取步骤3.5的计算结果，如果偏湿，则取阳极腔室水蒸气浓度近似该界面水含量。

步骤3.8：计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量。如果偏干，则取步骤6的计算结果，如果偏湿，则取阴极腔室水蒸气浓度近似该界面水含量。

步骤3.9：根据膜电极和阳极气体扩散层界面水含量和净水传递系数，基于质子交换膜水传递模型，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量：

α为净水传递系数，I为电流强度，F为法拉第常数，M_W为水摩尔质量，0.018kg/mol，N_fc为电池单片的数量。n_drag为电拖拽系数n_drag＝2.5λ/22。D_W,MEA,eff为膜内水传递系数，c_W,Ca为阴极催化剂层-膜界面水含量，c_W,An为阳极催化剂层-膜界面水含量，t_mem为膜电极的厚度。

具体的参考上述公式(3)-公式(8)、公式(11)-公式(14)、公式(21)、公式(24)以及公式(26)得出所述质子交换膜燃料电池水传递模型。本实施例中，所述质子交换膜燃料电池水传递模型可以将燃料电池内部的各种参数建立关系，并根据已知量经过迭代运算得出未知量者是标定量。比如所述净水传递系数可以根据所述质子交换膜燃料电池水传递模型运算得出。从上述式子中，在已知净水传递系数情况下，可以根据膜电极与阳极气体扩散层界面水含量计算膜电极与阴极气体扩散层界面水含量，也可以根据膜电极与阴极气体扩散层界面水含量计算膜电极与阳极气体扩散层界面水含量。

步骤3.10：将步骤3.8和步骤3.9得到的膜电极和阴极气体扩散层水含量相减得到误差；

步骤3.11：判断步骤3.10的误差是否满足要求，如果是，执行步骤3.12，如果不满足要求，则更新净水传递系数，返回步骤3.2。采用迭代计算，计算出净水传递系数α，判断误差是否满足要求，即判断净水传递系数的计算值是否收敛，即更新得到的α和上一次迭代得到的α的差值是否小于一定阈值。

步骤3.12：得到净水传递系数和各个界面处的水浓度，即得到了燃料电池内部的水含量分布。

(4)如果实际测得的电流密度大于等于电流密度阈值，则根据燃料电池膜电极平均水含量和进出口进排气条件以及基于燃料电池的质子交换膜燃料电池水传递模型，估计净水传递系数，从而估计膜电极水含量分布规律。如果实际测得的电流密度小于电流密度阈值，则不需要估计水含量分布，燃料电池膜电极平均水含量即可表示燃料电池水含量。

上述公式(3)-公式(8)、公式(11)-公式(14)、公式(21)、公式(24)以及公式(26)中提供的所述质子交换膜燃料电池水传递模型的传递方向：阳极流道-阳极气体扩散层-阳极催化剂层-质子交换膜-阴极催化剂层-阴极气体扩散层-阴极流道。请参阅图4和图5分别示出了，两种不同的实施例中得出的燃料电池的水含量分布示意图。图4为本申请一个实施例中提供的较干情况下燃料电池的水含量分布示意图。图5为本申请一个实施例中提供的较湿情况下燃料电池的水含量分布示意图。

本申请一个实施例中提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

本申请一个实施例中提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种燃料电池水含量估计方法，其特征在于，

S100，获取燃料电池的高频阻抗以及燃料电池的进气条件和排气条件，所述高频阻抗的频率范围在320Hz～1kHz；所述进气条件包括燃料电池的进气温度、进气湿度、进气压力和进气流量；所述排气条件包括排气温度和排气压力；

S200，根据所述高频阻抗估计燃料电池膜电极平均水含量，估计所述燃料电池膜电极平均水含量的具体步骤包括：

S210，根据所述高频阻抗减去固定电阻R₀，得到膜电极阻抗R；

S220，利用所述膜电极阻抗的计算公式R＝L_PEM/(S*σ)，计算得到膜内平均质子传导电导率σ，L_PEM表示膜厚度，S表示面积；

S230，根据所述膜内平均质子传导电导率σ和平均水含量的关系，计算得到所述燃料电池膜电极平均水含量λ；

S240，得到所述燃料电池膜电极平均水含量λ后，将所述燃料电池膜电极平均水含量λ换算成水蒸气摩尔分数和液态水饱和度；

S300，依据预先设定的水含量估计误差或者电流密度大小，判断是否需要估计水含量分布；

S400，如果需要估计水含量分布，则采用如下方法估计水含量分布：

S410，选定净水传递系数初始值；

S420，根据阳极进气条件和阳极排气条件，计算阳极腔室平均水蒸气分压p_W,A，0和阳极腔室平均水蒸气浓度c_w,A,o：

p_W,A，0＝x_W,Anp_A其中，x_W,An表示阳极水的摩尔分数，p_A表示阳极气体压强；

其中，R为8.314J/mol/K，T是温度；

S430，根据阴极进气条件和阴极排气条件，计算阴极腔室平均水蒸气分压p_w,c,o和阴极腔室平均水蒸气浓度c_w,c,o：

p_W,C，0＝x_W,Cap_C其中，x_W,Ca表示阴极水的摩尔分数，p_C表示阴极气体压强；

其中，R为8.314J/mol/K，T是温度；

S440，根据S420和S430得到的所述阳极腔室平均水蒸气分压p_W,A，0和所述阴极腔室平均水蒸气分压p_w,c,o判断是否偏干；

如果判断结果是偏干，则执行S450和S460，如果判断的结果是偏湿，则跳过执行S450和S460，直接执行S470；

S450，根据所述阳极腔室平均水蒸气分压和净水传递系数计算阳极气体扩散层与膜电极界面水蒸气浓度c_W,A,1，阳极气体扩散层水蒸气分布为线性分布，

其中，c_W,A,1表示阳极气体扩散层与膜电极界面处的水蒸气含量，N是指从阳极流道向阳极催化剂层的水的通量(mol/s)，稳态下也等于穿过膜，从阳极到阴极的水的通量；

c_W,A,0为阳极腔室平均水蒸气浓度，c_W,A,1是指阳极流道-GDL界面水浓度，c_W,A,0指阳极催化剂层-GDL界面水浓度，D_W,GDL为扩散系数，d_GDL为GDL厚度；

S460，根据阴极腔室平均水蒸气分压和净水传递系数计算阴极气体扩散层与膜电极界面水蒸气浓度c_W,C,1，阴极气体扩散层水蒸气分布为线性分布：

c_W,C,1是指阴极流道-GDL界面水浓度，c_W,C,0指阴极催化剂层-GDL界面水浓度，D_W,GDL为扩散系数，d_GDL为GDL厚度，N是指从阳极流道向阳极催化剂层的水的通量(mol/s)，F为法拉第常数；

S470，计算膜电极和阳极气体扩散层界面水含量，如果偏干，则取S450的计算结果；如果偏湿，则取阳极腔室水蒸气浓度近似该界面水含量；

S480，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量，如果偏干，则取S460的计算结果，如果偏湿，则取阴极腔室水蒸气浓度近似该界面水含量；

S490，根据膜电极和阳极气体扩散层界面水含量和净水传递系数，基于质子交换膜水传递模型，计算膜电极和阴极气体扩散层界面水含量：

α为净水传递系数，I为电流强度，F为法拉第常数，n_drag为电拖拽系数n_drag＝2.5λ/22，D_W,MEA,eff为膜内水传递系数，c_W,C,1为阴极催化剂层-膜界面水含量，c_W,A,1为阳极催化剂层-膜界面水含量，t_mem为膜电极的厚度，

S500，将S480和S490中得到的膜电极和阴极气体扩散层水含量相减得到误差；

S510，判断S500中得到的所述误差是否满足要求，如果是，执行S520，如果不满足要求，则更新所述净水传递系数的值，返回S420，采用迭代计算，计算出净水传递系数α；

S520，得到所述净水传递系数α和各个界面处的水浓度，即得到了燃料电池内部的水含量分布，所述各个界面处的水浓度包括阳极流道和阳极气体扩散层的界面、阳极气体扩散层和膜电极的界面、膜电极和阴极气体扩散层的界面以及阴极气体扩散层和阴极流道的界面。

2.一种燃料电池水含量估计系统，其特征在于，所述燃料电池水含量估计系统用于实现权利要求1中所述的燃料电池水含量估计方法，所述燃料电池水含量估计系统包括：

交流阻抗测量装置(110)，与燃料电池的电能输出端电连接，用于实时测量燃料电池的高频阻抗；

进排气条件测量装置(120)，设置于燃料电池的阳极进气口、阳极出气口、阴极进气口和阴极出气口，用于实时测量燃料电池进出口的进气条件和排气条件；以及

水含量估计装置(130)，分别与所述交流阻抗测量装置(110)和所述进排气条件测量装置(120)通信连接，用于获取所述高频阻抗、所述进气条件和所述排气条件；利用所述高频阻抗值估计膜电极平均水含量，基于燃料电池膜电极模型和外部工作条件，在线估计净水传递系数从而得出水含量分布规律。

3.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1所述方法的步骤。

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的方法的步骤。