CN109962271A - 燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法。所述燃料电池的水含量调节方法首先建立电池单片输出电压模型。其次，在一个确定的工况下，根据所述电池单片输出电压模型，以确定阳极多余增湿分界线和阴极多余增湿分界线。最后通过所述阳极多余增湿分界线与所述阴极多余增湿分界线共同确定燃料电池增湿参数图。通过所述方法得到的所述燃料电池增湿参数图一方面能够帮助操作人员避开不良增湿，另一方面也为操作人员指明了当前增湿参数优化的方向。

Description

燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法
技术领域
本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池水管理的本质一方面需要提供足够的湿度环境保证膜内的质子传导过程流畅高效，另一方面需要遏制液态水的过多集聚引起的化学反应有效面积的降低。研究燃料电池的水管理问题一方面是为了短期内实现燃料电池工作效率(燃料电池单片输出电压) 最大化，另一方面在更长的时间尺度上提升燃料电池的耐久性，延长燃料电池使用寿命。
在实际工程或实验应用中，燃料电池内部水多和水少都会对燃料电池的性能有不利的影响。在某一固定工况下，燃料电池膜干，不利于质子传导，欧姆损失增大。利用双循环对膜进行增湿，随着膜水含量的上升，欧姆损失减小，燃料电池性能提高。若膜水含量的进一步上升，容易造成水淹，阻碍反应气体的传输，浓差损失增大。同时过多的增湿也会增加氢气循环泵或空气循环泵的功耗。阳极相对湿度和阴极相对湿度共同影响膜的水含量。传统的增湿技术在增湿时存在一定盲目性，控制不够精准。
发明内容
基于此，有必要针对传统的增湿技术在增湿时存在一定盲目性，控制不够精准问题，提供一种燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法。
一种燃料电池的水含量调节方法，包括：
S10，建立电池单片输出电压模型；
S20，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线；
S30，在所述第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阴极多余增湿分界线；
S40，根据所述第一阳极多余增湿分界线与所述第一阴极多余增湿分界线，确定第一燃料电池增湿参数图；
S50，当燃料电池处于所述第一工况下时，根据所述第一燃料电池增湿参数图对所述燃料电池的水含量进行调整。
在其中一个实施例中，所述S10，建立电池单片输出电压模型的步骤包括：
S11，获得欧姆电压降；
S12，获得极化损失电压降；
S13，获得浓差损失电压降；
S14，提供燃料电池的开路电压，并根据所述开路电压、所述欧姆电压降、极化损失电压降以及所述浓差损失电压降建立所述电池单片输出电压模型，所述电池单片输出电压模型满足：
Vcell＝Vnst-Vohm_loss-Vact_loss-Vmass_loss
其中，Vcell代表电池单片输出电压，单位V；Vnst代表电池能斯特电压，单位V；Vohm_loss代表欧姆电压降，单位V；Vact_loss代表活化极化电压降，单位V；Vmass_loss代表浓差电压降，单位V。
在其中一个实施例中，所述S11，获得欧姆电压降的步骤包括：
获得质子交换膜的平均水含量和阴极催化层的平均水含量；
提供模型中质子交换膜的厚度和实际质子交换膜厚度，并根据所述质子交换膜的平均水含量和所述阴极催化层的平均水含量获得直流欧姆阻抗参数，所述直流欧姆阻抗参数满足：
其中，Rdc代表直流欧姆阻抗参数；λmem代表质子交换膜的平均水含量；λccl代表阴极催化层的平均水含量；Lmem代表模型中质子交换膜的厚度；Lmem-calibration代表实际质子交换膜厚度；ωccl代表阴极催化层内离子导体的体积分数；
根据所述直流欧姆阻抗参数与工作电流密度的乘积确定所述欧姆电压降。
在其中一个实施例中，所述S12，获得极化损失电压降模型的步骤包括：
提供参考电流密度和燃料电池温度；
根据所述参考电流密度和所述燃料电池温度，建立极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式，所述极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式为：
其中，R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；ifc代表工作电流密度；代表参考电流密度；
提供燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，并根据所述关系式建立所述极化损失电压降，所述极化损失电压降满足：
其中，sstop代表燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度； sccl代表阴极催化剂层液态饱和度。
在其中一个实施例中，所述S13，获得浓差损失电压降的步骤包括：
获取燃料电池阴极催化剂层中的氧气浓度；
提供燃料电池温度，根据所述氧气浓度和所述燃料电池温度，建立所述浓差损失电压降，所述浓差损失电压降满足：
其中，R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；代表阴极催化剂层中的氧气浓度；代表阴极催化剂层中参考氧气浓度。
在其中一个实施例中，所述S20，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线的步骤包括：
提供多种阴极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阳极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阴极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第一阳极多余增湿分界线。
在其中一个实施例中，所述S30，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阴极多余增湿分界线的步骤包括：
提供多种阳极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阴极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阳极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第一阴极多余增湿分界线。
一种燃料电池的水含量调节方法，包括：
S10，建立电池单片输出电压模型；
S100，提供M个工况，在第N个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，分别确定第N条阳极多余增湿分界线和第N条阴极多余增湿分界线，所述M为大于等于1的正整数，所述N为大于等于 1的正整数，并且M≥N；
S200，根据所述第N条阳极多余增湿分界线与所述第N条阴极多余增湿分界线，确定第N个燃料电池增湿参数图；
S300，在所述M个工况中的每一个工况下，一一对应确定一个燃料电池增湿参数图，以形成多维燃料电池增湿参数图；
S400，当燃料电池处于第X个工况时，根据所述第X个燃料电池增湿参数图对所述燃料电池的水含量进行调整，所述X为大于等于1的正整数，并且M≥X。
在其中一个实施例中，所述S100，提供M个工况，在第N个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，分别确定第N条阳极多余增湿分界线和第N条阴极多余增湿分界线的步骤包括：
在第N个工况下，提供多种阴极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阳极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阴极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第N条阳极多余增湿分界线；
在第N个工况下，提供多种阳极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阴极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阳极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第N条阴极多余增湿分界线。
在其中一个实施例中，所述S10，建立电池单片输出电压模型的步骤包括：
获得质子交换膜的平均水含量和阴极催化层的平均水含量；
提供模型中质子交换膜的厚度和实际质子交换膜厚度，并根据所述质子交换膜的平均水含量和所述阴极催化层的平均水含量获得直流欧姆阻抗参数，所述直流欧姆阻抗参数满足：
其中，Rdc代表直流欧姆阻抗参数；λmem代表质子交换膜的平均水含量；λccl代表阴极催化层的平均水含量；Lmem代表模型中质子交换膜的厚度；Lmem-calibration代表实际质子交换膜厚度；ωccl代表阴极催化层内离子导体的体积分数；
根据所述直流欧姆阻抗参数与工作电流密度的乘积确定所述欧姆电压降；
提供参考电流密度和燃料电池温度；
根据所述参考电流密度和所述燃料电池温度，建立极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式，所述极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式为：
其中，R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；ifc代表工作电流密度；代表参考电流密度；
提供燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，并根据所述关系式建立所述极化损失电压降，所述极化损失电压降满足：
其中，sstop代表燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度； sccl代表阴极催化剂层液态饱和度；
获取燃料电池阴极催化剂层中的氧气浓度；
提供燃料电池温度，根据所述氧气浓度和所述燃料电池温度，建立所述浓差损失电压降，所述浓差损失电压降满足：
其中，R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；代表阴极催化剂层中的氧气浓度；代表阴极催化剂层中参考氧气浓度；
提供燃料电池的开路电压，并根据所述开路电压、所述欧姆电压降、极化损失电压降模型以及所述浓差损失电压降模型建立所述电池单片输出电压模型，所述电池单片输出电压模型满足：
Vcell＝Vnst-Vohm_loss-Vact_loss-Vmass_loss
其中，Vcell代表电池单片输出电压，单位V；Vnst代表电池能斯特电压，单位V；Vohm_loss代表欧姆电压降，单位V；Vact_loss代表活化极化电压降，单位V；Vmass_loss代表浓差电压降，单位V。一种燃料电池增湿参数图的确定方法，包括：
建立电池单片输出电压模型；
提供多个工况，在每个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定一个燃料电池增湿参数图；
将每个燃料电池增湿参数图进行拟合，以形成多维燃料电池增湿参数图。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，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。
本申请提供一种燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法。所述燃料电池的水含量调节方法首先建立电池单片输出电压模型。其次，在一个确定的工况下，根据所述电池单片输出电压模型检测不同阴极相对湿度下，电池单片输出电压最大时，所述电池单片的阳极相对湿度。通过所述电池单片的阳极相对湿度确定阳极多余增湿分界线。并在相同工况下，根据所述电池单片输出电压模型检测不同阳极相对湿度下，电池单片输出电压最大时，所述电池单片的阴极相对湿度。通过所述电池单片的阳极相对湿度确定阴极多余增湿分界线。最后通过所述阳极多余增湿分界线与所述阴极多余增湿分界线共同确定燃料电池增湿参数图。通过所述方法得到的所述燃料电池增湿参数图一方面能够帮助操作人员避开不良增湿，另一方面也为操作人员指明了当前增湿参数优化的方向。
附图说明
图1为本申请一个实施例提供的一种确定燃料电池增湿参数图的方法流程图；
图2为本申请一个实施例提供的一种确定燃料电池增湿参数图的方法流程图；
图3为本申请一个实施例提供的一种电池单片输出电压随阳极相对湿度的变化曲线；
图4为本申请一个实施例提供的一种确定燃料电池增湿参数图的方法流程图；
图5为本申请一个实施例提供的一种燃料电池增湿参数图；
图6为本申请一个实施例提供的计算机设备的结构示意图。
主要元件附图标号说明
计算机 20
存储器 21
处理器 22
计算机程序 23
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本申请一个实施例提供一种燃料电池的水含量调节方法，包括：
S10，建立电池单片输出电压模型。步骤S10中，所述电池单片输出电压降模型可以为一个数学模型。所述电池单片输出电压降模型的建立过程包括模型的假设、模型的求解、模型的分析以及模型的检测。所述电池单片输出电压降模型的建立的部分过程可以在算法软件中完成。所述算法软件可以为Comsol。
S20，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线。步骤S20在，所述第一工况可以是指电流密度、燃料电池工作温度空气和氢气过量空气系统均在一个特定范围内。所述第一阳极多余增湿分界线将阳极增湿区域分为两部分。所述阳极增湿区域的一部分为阳极增湿未饱和区，所述阳极增湿区域的另一部分为阳极增湿饱和区。当燃料电池的阳极相对湿度处于所述阳极增湿未饱和区时，可以向燃料电池的阳极区继续增湿，以提高燃料电池的性能。当燃料电池的阳极相对湿度处于所述阳极增湿饱和区时，可以降低燃料电池的阳极相对湿度，以增加燃料电池的性能。所述第一阳极多余增湿分界线上的点表示在所述第一工况下，不同阴极相对湿度对应的最大的电池单片输出电压。
S30，在所述第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阴极多余增湿分界线。步骤S30中，所述第一阴极多余增湿分界线将阴极增湿区域分为两部分。所述阴极增湿区域的一部分为阴极增湿未饱和区，所述阴极增湿区域的另一部分为阴极增湿饱和区。当燃料电池的阴极相对湿度处于所述阴极增湿未饱和区时，可以向燃料电池的阳极区继续增湿，以提高燃料电池的性能。当燃料电池的阴极相对湿度处于所述阴极增湿饱和区时，可以降低燃料电池的阴极相对湿度，以增加燃料电池的性能。所述第一阴极多余增湿分界线上的点表示在所述第一工况下，不同阳极相对湿度对应的最大的电池单片输出电压。
S40，根据所述第一阳极多余增湿分界线与所述第一阴极多余增湿分界线，确定第一燃料电池增湿参数图。步骤S40中，所述第一燃料电池增湿参数图包括不同阴极相对湿度下得到的所述第一阳极多余增湿分界线和不同阳极相对湿度下得到的所述第一阴极多余增湿分界线。所述第一燃料电池增湿参数图还包括不同阴极相对湿度与不同阳极相对湿度的组合对应的电池单片输出电压。从所述第一燃料电池增湿参数图中可以看到阳极增湿未饱和区、阳极增湿饱和区、阴极增湿未饱和区以及阴极增湿饱和区四种区域。
S50，当燃料电池处于所述第一工况下时，根据所述第一燃料电池增湿参数图对所述燃料电池的水含量进行调整。步骤S50中，为了提高所述燃料电池性能，可以对所述燃料电池的水含量进行调整。在对所述燃料电池的水含量进行调整时，可以单独调整所述阴极相对湿度，也可以单独调整所述阳极相对湿度，还可以对所述阴极相对湿度和所述阳极相对湿度同时进行调整。
本实施例中，提供一种燃料电池的水含量调节方法。所述燃料电池的水含量调节方法首先建立电池单片输出电压模型。其次，在一个确定的工况下，根据所述电池单片输出电压模型检测不同阴极相对湿度下，电池单片输出电压最大时，所述电池单片的阳极相对湿度。通过所述电池单片的阳极相对湿度确定阳极多余增湿分界线。并在相同工况下，根据所述电池单片输出电压模型检测不同阳极相对湿度下，电池单片输出电压最大时，所述电池单片的阴极相对湿度。通过所述电池单片的阳极相对湿度确定阴极多余增湿分界线。最后通过所述阳极多余增湿分界线与所述阴极多余增湿分界线共同确定燃料电池增湿参数图。通过所述方法得到的所述燃料电池增湿参数图一方面能够帮助操作人员避开不良增湿，另一方面也为操作人员指明了当前增湿参数优化的方向。
请参见图2，在其中一个实施例中，所述S10，建立电池单片输出电压模型的步骤包括：
S11，获得欧姆电压降。步骤S11中，根据电化学阻抗谱技术，所述燃料电池中的阻抗一般包括高频阻抗和直流阻抗。所述高频阻抗理论上是指频率趋于无穷大时测量的阻抗值。所述高频阻抗理论上等于质子交换膜的欧姆阻抗，因此所述高频阻抗一般作为重要参数来表征质子交换膜的干湿情况。所述直流阻抗是指所述燃料电池在直流工作条件下的欧姆阻抗。所述直流阻抗的存在是引起所述燃料电池欧姆电压降的直接原因。所述直流欧姆阻抗包括了所述质子交换膜的欧姆阻抗和一部分催化剂层的质子传导的欧姆阻抗。对于燃料电池，可以认为，所述直流欧姆阻抗和所述高频阻抗之间存在如下关系：
Rf＝∞＝Rmem
其中，Rf＝∞代表高频阻抗，Rf＝0代表直流阻抗，Rmem、Rccl分别代表质子交换膜和阴极催化剂层的欧姆阻抗。
所述质子交换膜的欧姆阻抗由其干湿程度决定，而所述质子交换膜的干湿程度由质子交换膜平均水含量来表示，因此质子交换膜的欧姆阻抗与平均水含量之间存在一一对应的关系。
Rmem＝F(λmem)
其中，λmem代表质子交换膜的平均水含量。
所述阴极催化剂层的欧姆阻抗由阴极催化剂层的水含量决定。由于所述阴极催化剂层的欧姆阻抗主要也是在质子传导过程中产生的，因此可以采用与上式类似的对应关系，只是需要根据催化剂层的结构参数再乘以相应的比例系数：
其中，Lccl、Lmem分别代表阴极催化剂层和质子交换膜的厚度，ωccl代表阴极催化剂层内离子导体的体积分数。
采用非线性拟合的方法得到高频阻抗与质子交换膜平均水含量的一一对应关系满足下述公式(1)：
阴极催化剂层的欧姆阻抗满足下述公式(2)：
在一个实施例中，通过实验提供质子交换膜的厚度和实际质子交换膜厚度，带入公式(2)中。并根据所述质子交换膜的平均水含量和所述阴极催化层的平均水含量获得直流欧姆阻抗参数。所述直流欧姆阻抗参数满足下述公式(3)：
其中，Rdc代表直流欧姆阻抗参数，λmem代表质子交换膜的平均水含量，λccl代表阴极催化层的平均水含量，Lmem代表模型中质子交换膜的厚度，Lmem-calibration代表实际质子交换膜厚度，ωccl代表阴极催化层内离子导体的体积分数。根据所述直流欧姆阻抗参数与工作电流密度的乘积确定所述欧姆电压降。
S12，获得极化损失电压降。
S13，获得浓差损失电压降。步骤S12和S13中，所述极化损失电压降和所述浓差损失电压降主要和阴极液态水的含量有关。极化损失和浓差损失多发生在电极表面，可以由电化学反应动力学方程推导得到。对于燃料电池阴极反应，所述电化学反应动力学方程可以近似的表达为Tafel方程：
其中，jc代表电极表面过电势，R代表气体常数，Tfc代表燃料电池温度，αc代表阴极反应传递系数，F代表法拉第常数，代表氧气浓度，代表参考氧气浓度，代表参考电流密度，η为阴极电化学反应总的过电势。
通过实验提供参考电流密度和燃料电池温度。根据所述参考电流密度和所述燃料电池温度，建立极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式，所述极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式为：
其中，Vact_loss代表极化电压降，单位V；R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；ifc代表工作电流密度；代表参考电流密度；
在一个实施例中，通过实验提供燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度。根据所述极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式获得所述极化损失电压降与阴极催化剂层液态饱和度的关系式。所述极化损失电压降与阴极催化剂层液态饱和度的关系式满足：
其中，sstop代表燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度， sccl代表阴极催化剂层液态饱和度。
获取燃料电池阴极催化剂层中的氧气浓度。提供燃料电池温度，根据所述氧气浓度和所述燃料电池温度，建立所述浓差损失电压降，所述浓差损失电压降满足：
其中，R代表气体常数，Tfc代表燃料电池温度，αc代表阴极反应传递系数，F代表法拉第常数，代表阴极催化剂层中的氧气浓度，代表阴极催化剂层中参考氧气浓度。
S14，提供燃料电池的开路电压，并根据所述开路电压、所述欧姆电压降、极化损失电压降以及所述浓差损失电压降建立所述电池单片输出电压模型，所述电池单片输出电压模型满足：
Vcell＝Vnst-Vohm_loss-Vact_loss-Vmass_loss
其中，Vcell代表电池单片输出电压，单位V；Vnst代表电池能斯特电压，单位V；Vohm_loss代表欧姆电压降，单位V；Vact_loss代表活化极化电压降，单位V；Vmass_loss代表浓差电压降，单位V。步骤S14 中，所述开路电压为所述燃料电池没有外接负载时的开路电压。所述开路电压可以通过实验测量。
本实施例中，通过理论推导分别获得欧姆电压降、极化损失电压降以及浓差损失电压降的数学公式，进而建立电池单片输出电压模型。所述电池单片输出电压模型为后续确定燃料电池增湿参数图提供了理论基础。
在其中一个实施例中，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线和第一阴极多余增湿分界线的步骤包括：
通过实验提供多种阴极相对湿度。获得所述电池单片输出电压随所述阳极相对湿度变化的多条曲线。所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点。所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值。将多个所述转折点按照所述阴极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第一阳极多余增湿分界线。请参见图3，为本申请一个实施例提供的一种电池单片输出电压随阳极相对湿度的变化曲线。图中，分别提供了六种不同阴极相对湿度下的电池单片输出电压随阳极相对湿度的变化曲线。从图3中可以看出，所述电池单片输出电压随阳极增湿相对湿度变化的曲线可以分为两段。所述电池单片输出电压随阳极增湿相对湿度变化的曲线的一段为变化段，电池单片输出电压随阳极增湿相对湿度变化的曲线的另一段为平台段。当所述阴极相对湿度固定不变时，所述阳极增湿相对湿度增加到一定程度之后，所述电池单片输出电压不再随所述阳极湿度的变化而变化。所述电池单片输出电压不再随所述阳极湿度的变化而变化的现象称为阳极多余增湿。发生所述阳极多余增湿的原因是阳极气体流道内的气态水浓度在拐点处达到饱和水蒸气浓度，当进一步增加阳极入口的进水量，多余的水会生成液态水，形成阳极水淹。
提供多种阳极相对湿度。获得所述电池单片输出电压随所述阴极相对湿度变化的多条曲线。所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点。所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值。将多个所述转折点按照所述阳极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第一阴极多余增湿分界线。
本实施例中，通过根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线和第一阴极多余增湿分界线。结合所述第一阳极多余增湿分界线和所述第一阴极多余增湿分界线可以能够帮助操作人员避开不良增湿。
请参见图4，本申请一个实施例提供一种燃料电池的水含量调节方法。所述方法包括：
S10，建立电池单片输出电压模型。步骤S10中，所述建立电池单片输出电压模型的方法与上述实施例中建立电池单片输出电压模型的方法相同。此处不再赘述。
S100，提供M个工况，在第N个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，分别确定第N条阳极多余增湿分界线和第N条阴极多余增湿分界线，所述M为大于等于1的正整数，所述N为大于等于 1的正整数，并且M≥N。步骤S100中，所述M个工况可以通过调整电流密度、燃料电池工作温度空气和氢气过量空气系统中的一个参数或多个参数得到。
S200，根据所述第N条阳极多余增湿分界线与所述第N条阴极多余增湿分界线，确定第N个燃料电池增湿参数图。
步骤S200中，在第N个工况下，提供多种阴极相对湿度。获得所述电池单片输出电压随所述阳极相对湿度变化的多条曲线。所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点。将多个所述转折点按照所述阴极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第N条阳极多余增湿分界线。在第N个工况下，提供多种阳极相对湿度。获得所述电池单片输出电压随所述阴极相对湿度变化的多条曲线。所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点。将多个所述转折点按照所述阳极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第N条阴极多余增湿分界线。
S300，在所述M个工况中的每一个工况下，一一对应确定一个燃料电池增湿参数图，以形成多维燃料电池增湿参数图。步骤S300 中，在每个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定一个燃料电池增湿参数图。将每个燃料电池增湿参数图进行拟合，可以形成多维燃料电池增湿参数图。
S400，当燃料电池处于第X个工况时，根据所述第X个燃料电池增湿参数图对所述燃料电池的水含量进行调整，所述X为大于等于1的正整数，并且M≥X。
请参见图5，为本申请一个实施例提供的一种燃料电池增湿参数图，图中，包括不同阴极相对湿度下得到的所述第一阳极多余增湿分界线和不同阳极相对湿度下得到的所述第一阴极多余增湿分界线。所述第一燃料电池增湿参数图还包括不同阴极相对湿度与不同阳极相对湿度的组合对应的电池单片输出电压。所述第一阳极多余增湿分界线将阳极增湿区域分为两部分。所述阳极增湿区域的一部分为阳极增湿未饱和区，所述阳极增湿区域的另一部分为阳极增湿饱和区。当燃料电池的阳极相对湿度处于所述阳极增湿未饱和区时，可以向燃料电池的阳极区继续增湿，以提高燃料电池的性能。当燃料电池的阳极相对湿度处于所述阳极增湿饱和区时，可以降低燃料电池的阳极相对湿度，以增加燃料电池的性能。所述第一阳极多余增湿分界线上的点，表示在所述第一工况下，不同阴极相对湿度对应的最大的电池单片输出电压。所述第一阴极多余增湿分界线将阳极增湿区域分为两部分。所述阴极增湿区域的一部分为阴极增湿未饱和区，所述阴极增湿区域的另一部分为阴极增湿饱和区。当燃料电池的阴极相对湿度处于所述阴极增湿未饱和区时，可以向燃料电池的阳极区继续增湿，以提高燃料电池的性能。当燃料电池的阴极相对湿度处于所述阴极增湿饱和区时，可以降低燃料电池的阴极相对湿度，以增加燃料电池的性能。所述第一阴极多余增湿分界线上的点，表示在所述第一工况下，不同阳极相对湿度对应的最大的电池单片输出电压。所述阳极多余增湿分界线与所述阴极多余增湿分界线的交点确定一个较优的增湿参数组合。
本实施例中，所述方法首先根据所述电池单片输出电压模型，建立了多维燃料电池增湿参数图。操作人员可以通过所述多维燃料电池增湿参数图避开不良增湿。
本申请一个实施例提供一种燃料电池增湿参数图的确定方法。所述方法包括：
首先，建立电池单片输出电压模型。其次，提供多个工况，在每个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定一个燃料电池增湿参数图。最后，将每个燃料电池增湿参数图进行拟合，以形成多维燃料电池增湿参数图。
本实施例中，根据所述电池单片输出电压模型，建立了多维燃料电池增湿参数图。所述多维燃料电池增湿参数图一方面能够帮助操作人员在不同工况下避开不良增湿，另一方面也为操作人员指明了在不同工况下当前增湿参数优化的方向。
请参见图6，本申请一个实施例中还提供一种计算机设备20，包括存储器21、处理器22及存储在所述存储器21上并可在处理器上运行的计算机程序23，所述处理器22执行所述计算机程序23时实现所述燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法。
本申请一个实施例中还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所述燃料电池的水含量调节方法及增湿参数图的确定方法的步骤。
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申请专利范围的限制。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 (13)

1.一种燃料电池的水含量调节方法，其特征在于，包括：
S10，建立电池单片输出电压模型；
S20，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线；
S30，在所述第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阴极多余增湿分界线；
S40，根据所述第一阳极多余增湿分界线与所述第一阴极多余增湿分界线，确定第一燃料电池增湿参数图；
S50，当燃料电池处于所述第一工况下时，根据所述第一燃料电池增湿参数图对所述燃料电池的水含量进行调整。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于，所述S10，建立电池单片输出电压模型的步骤包括：
S11，获得欧姆电压降；
S12，获得极化损失电压降；
S13，获得浓差损失电压降；
S14，提供燃料电池的开路电压，并根据所述开路电压、所述欧姆电压降、极化损失电压降以及所述浓差损失电压降建立所述电池单片输出电压模型，所述电池单片输出电压模型满足：
Vcell＝Vnst-Vohm_loss-Vact_loss-Vmass_loss
其中，Vcell代表电池单片输出电压，单位V；Vnst代表电池能斯特电压，单位V；Vohm_loss代表欧姆电压降，单位V；Vact_loss代表活化极化电压降，单位V；Vmass_loss代表浓差电压降，单位V。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S11，获得欧姆电压降的步骤包括：
获得质子交换膜的平均水含量和阴极催化层的平均水含量；
提供模型中质子交换膜的厚度和实际质子交换膜厚度，并根据所述质子交换膜的平均水含量和所述阴极催化层的平均水含量获得直流欧姆阻抗参数，所述直流欧姆阻抗参数满足：
其中，Rdc代表直流欧姆阻抗参数；λmem代表质子交换膜的平均水含量；λccl代表阴极催化层的平均水含量；Lmem代表模型中质子交换膜的厚度；Lmem-calibration代表实际质子交换膜厚度；ωccl代表阴极催化层内离子导体的体积分数；
根据所述直流欧姆阻抗参数与工作电流密度的乘积确定所述欧姆电压降。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S12，获得极化损失电压降模型的步骤包括：
提供参考电流密度和燃料电池温度；
根据所述参考电流密度和所述燃料电池温度，建立极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式，所述极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式为：
其中，Vact_loss代表活化极化电压降，单位V；R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；ifc代表工作电流密度；代表参考电流密度；
提供燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，并根据所述关系式建立所述极化损失电压降，所述极化损失电压降满足：
其中，sstop代表燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度；sccl代表阴极催化剂层液态饱和度。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S13，获得浓差损失电压降的步骤包括：
获取燃料电池阴极催化剂层中的氧气浓度；
提供燃料电池温度，根据所述氧气浓度和所述燃料电池温度，建立所述浓差损失电压降，所述浓差损失电压降满足：
其中，R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；代表阴极催化剂层中的氧气浓度；代表阴极催化剂层中参考氧气浓度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S20，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阳极多余增湿分界线的步骤包括：
提供多种阴极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阳极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阴极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第一阳极多余增湿分界线。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S30，在第一工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定第一阴极多余增湿分界线的步骤包括：
提供多种阳极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阴极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阳极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第一阴极多余增湿分界线。
8.一种燃料电池的水含量调节方法，其特征在于，包括：
S10，建立电池单片输出电压模型；
S100，提供M个工况，在第N个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，分别确定第N条阳极多余增湿分界线和第N条阴极多余增湿分界线，所述M为大于等于1的正整数，所述N为大于等于1的正整数，并且M≥N；
S200，根据所述第N条阳极多余增湿分界线与所述第N条阴极多余增湿分界线，确定第N个燃料电池增湿参数图；
S300，在所述M个工况中的每一个工况下，一一对应确定一个燃料电池增湿参数图，以形成多维燃料电池增湿参数图；
S400，当燃料电池处于第X个工况时，根据所述第X个燃料电池增湿参数图对所述燃料电池的水含量进行调整，所述X为大于等于1的正整数，并且M≥X。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S100，提供M个工况，在第N个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，分别确定第N条阳极多余增湿分界线和第N条阴极多余增湿分界线的步骤包括：
在第N个工况下，提供多种阴极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阳极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阴极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第N条阳极多余增湿分界线；
在第N个工况下，提供多种阳极相对湿度，获得所述电池单片输出电压随所述阴极相对湿度变化的多条曲线，所述多条曲线中的每一条曲线具有一个转折点，所述转折点具有所在曲线上电池单片输出电压的最大值；
将多个所述转折点按照所述阳极相对湿度的大小顺次连接，以确定所述第N条阴极多余增湿分界线。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于，所述S10，建立电池单片输出电压模型的步骤包括：
获得质子交换膜的平均水含量和阴极催化层的平均水含量；
提供模型中质子交换膜的厚度和实际质子交换膜厚度，并根据所述质子交换膜的平均水含量和所述阴极催化层的平均水含量获得直流欧姆阻抗参数，所述直流欧姆阻抗参数满足：
其中，Rdc代表直流欧姆阻抗参数；λmem代表质子交换膜的平均水含量；λccl代表阴极催化层的平均水含量；Lmem代表模型中质子交换膜的厚度；Lmem-calibration代表实际质子交换膜厚度；ωccl代表阴极催化层内离子导体的体积分数；
根据所述直流欧姆阻抗参数与工作电流密度的乘积确定所述欧姆电压降；
提供参考电流密度和燃料电池温度；
根据所述参考电流密度和所述燃料电池温度，建立极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式，所述极化损失电压降与所述工作电流密度的关系式为：
其中，R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；ifc代表工作电流密度；代表参考电流密度；
提供燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度，并根据所述关系式建立所述极化损失电压降，所述极化损失电压降满足：
其中，sstop代表燃料电池受水淹影响停止工作时的液态水饱和度；sccl代表阴极催化剂层液态饱和度；
获取燃料电池阴极催化剂层中的氧气浓度；
提供燃料电池温度，根据所述氧气浓度和所述燃料电池温度，建立所述浓差损失电压降，所述浓差损失电压降满足：
其中，Rdc代表浓差电压降，单位V；R代表气体常数；Tfc代表燃料电池温度；αc代表阴极反应传递系数；F代表法拉第常数；代表阴极催化剂层中的氧气浓度；代表阴极催化剂层中参考氧气浓度；
提供燃料电池的开路电压，并根据所述开路电压、所述欧姆电压降、极化损失电压降模型以及所述浓差损失电压降模型建立所述电池单片输出电压模型，所述电池单片输出电压模型满足：
Vcell＝Vnst-Vohm_loss-Vact_loss-Vmass_loss
其中，Vcell代表电池单片输出电压，单位V；Vnst代表电池能斯特电压，单位V；Vohm_loss代表欧姆电压降，单位V；Vact_loss代表活化极化电压降，单位V；Vmass_loss代表浓差电压降，单位V。
11.一种燃料电池增湿参数图的确定方法，其特征在于，包括：
建立电池单片输出电压模型；
提供多个工况，在每个工况下，根据所述电池单片输出电压模型，确定一个燃料电池增湿参数图；
将每个燃料电池增湿参数图进行拟合，以形成多维燃料电池增湿参数图。
12.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，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至11中任一项所述方法的步骤。
13.一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至11中任一项所述的方法的步骤。
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