CN112366338B - 质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法，所述系统包括温度测量单元、初始温度控制单元和冷却控制单元，温度测量单元包括红外热像仪以及反应表面温度计算模块，红外热像仪测量燃料电池阴极板和阳极板的背面温度，反应表面温度计算模块根据阴极板和阳极板的背面温度计算燃料电池的反应表面温度；所述方法包括利用红外热像仪对阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面进行温度测量以得到阳极板背面温度和阴极板背面温度，通过反应表面温度计算模块根据阳极板背面温度和阴极板背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，利用初始温度控制单元和冷却控制单元对燃料电池的温度进行控制。

Description

质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，更具体地涉及一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池被认为是全新、高效、节能、清洁的发电方式，其优点在于发电功率高、启动速度块、能量转化效率高，目前，在新能源汽车、国防、航天、计算机与通讯等许多领域有巨大的市场和十分广泛的应用前景。
质子交换膜燃料电池主要是由多板堆叠而成的板状结构，如图1所示，质子交换膜燃料电池包括质子交换膜1、阳极催化剂层2和阴极催化剂层2′、阳极气体扩散层3和阴极气体扩散层3′、阳极板4和阴极板4′，其中，阳极催化剂层2、阳极气体扩散层3和阳极板4按照从靠近质子交换膜1到远离质子交换膜1的顺序逐次设置在质子交换膜1的一侧，类似地，阴极催化剂层2′、阴极气体扩散层3′和阴极板4′按照从靠近质子交换膜1到远离质子交换膜1的顺序逐次设置在质子交换膜1的另一侧。质子交换膜1是燃料电池的核心，不但可以作为质子的传递通道，而且作为隔离膜将阴极的氧化剂和阳极的燃料分隔。阳极催化剂层2和阳极气体扩散层3组成阳电极，阴极催化剂层2′和阴极气体扩散层3′组成阴电极，其中阳极催化剂层2和阴极催化剂层2′是发生电化学反应的地方，内部粗糙且多孔，使其有足够的表面积来促进氧气和氢气的电化学反应，阳极气体扩散层3和阴极气体扩散层3′是由导电材料制成的多孔合成物，起着收集电流和支撑催化剂层的作用，而且还为电化学反应提供通道。阳极板4和阴极板4′构成双极板，起到传递和分隔燃料与氧化剂的作用，还为反应气体进入电极和水的排出提供结构支持。
但是，质子交换膜燃料电池的发展依然存在一些阻碍，具体表现为燃料电池内的温度和气体质量浓度分布不均匀，局部受热引起的局部温度升高和气体扩散不均匀，导致了使用寿命的降低及发电量的减少。其中温度分布对其性能的影响至关重要，温度分布不均匀可能促使质子交换膜以及阳极和阴极催化剂层的分解，以及可能使反应生成的水发生相变，进一步影响燃料电池的性能。
具体而言，燃料电池内的温度通常以反应表面温度来典型地表征，反应表面是指阴极催化剂层与质子交换膜的交界面。质子交换膜燃料电池在工作过程中除了发电外，还会产生大量的热，因此如果在高温工况下散热不及时会使反应表面温度分布不均匀，进而导致燃料电池发电性能降低，甚至温度过高还会致使质子交换膜脱水，使质子交换膜的质子导电率降低，影响燃料电池的整体性能。但若燃料电池局部温度过低，会导致催化剂的活性和反应速率降低。
因而，有必要对质子交换膜燃料电池进行温度测量和控制。现有技术中，主要通过将热电偶或热敏感应器等装置放置于燃料电池内部并进行温度数据读取。这种温度测量方法由于热电偶或热敏感应器和燃料电池做成一体，因此也称为一体式传感器测温。在这种一体式传感器测温中，热电偶或热敏感应器置于质子交换膜中间，并将二者压制成一体置于燃料电池内部。但在制作过程中热电偶或热敏感应器极易损坏，因此导致了较大的实验误差，除此之外安装难度较大，对操作员的要求较高。近年来除了上述的一体式传感器测温方式外，光学传感器技术也趋于成熟，其优点在于结构简单、量程大、分辨率高、响应时间短，且不受其他电磁场和电化学反应的影响，但由于其操作复杂，传感器放置到燃料电池内部容易损坏等问题，使得对燃料电池本身结构产生了影响，使其不能按照正常状态运行。
因此，如何有效、简便并且可靠准确地对质子交换膜燃料电池进行温度测量和控制，以提高质子交换膜燃料电池的发电性能和延长质子交换膜燃料电池的使用寿命，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
为此，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及利用该系统实施的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统包括温度测量单元、初始温度控制单元和冷却控制单元，其中：
温度测量单元包括红外热像仪以及反应表面温度计算模块，红外热像仪测量质子交换膜燃料电池阴极板和阳极板的背面温度，反应表面温度计算模块根据来自红外热像仪测得的阴极板和阳极板的背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，其中所述反应表面是阴极催化剂层与质子交换膜的交界面；
初始温度控制单元设置在燃料电池和燃料电池的储氢设备之间，包括第一电加热器和第一温度传感器，第一电加热器对储氢设备中的氢进行加热，第一温度传感器检测经第一电加热器加热后的氢的初始温度；
冷却控制单元连接于燃料电池，包括第二温度传感器、第二电加热器、板式换热器、水泵、补水系统、第三温度传感器、以及PID控制器。
优选地，在上述质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统中，在阳极板和阴极板的背面分别设置有阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面，所述阳极板黑体观察面和所述阴极板黑体观察面由铝或不锈钢材料制成。
本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法包括：
步骤1：利用红外热像仪对阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面进行温度测量以得到阳极板背面温度和阴极板背面温度，包括：将阳极板黑体观察面的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阳极板背面温度；将阴极板黑体观察面的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阴极板背面温度；
步骤2：通过反应表面温度计算模块根据阳极板背面温度和阴极板背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，包括：
(1)建立质子交换膜燃料电池一维换热模型，在所述一维换热模型中，燃料电池分为上部的肋部和下部的流道部，并且燃料电池的传热沿平面方向进行，反应表面产生的热量分别传递到阴极板和阳极板；
(2)根据如下公式1计算多孔介质的有效导热系数，其中所述多孔介质包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，
公式1：
在公式1中，kE是有效导热系数，单位为W/(m·K)，kS为多孔介质固体部导热系数单位为W/(m·K)，kF为多孔介质流体部导热系数，单位为W/(m·K)，ε为多孔介质孔隙率；
(3)根据如下公式2、公式3、公式4和公式5计算燃料电池各部件的总传热系数，其中燃料电池各部件包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，
公式2：
公式3：
公式4：
公式5：
在公式2、公式3、公式4和公式5中，Krib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；Krib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；δcat为阳极催化剂层和阴极催化剂层的厚度，单位为mm；kcat为阳极催化剂层和阴极催化剂层的有效导热系数，其通过公式1计算；δGDL为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的厚度，单位为mm；kGDL为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的有效导热系数，其通过公式1计算；δrib为阳极板和阴极板的肋部厚度，单位为mm；krib为阳极板和阴极板的肋部有效导热系数，其通过公式1计算；δsep为阳极板和阴极板的扣除肋部后的剩余部分的厚度，单位为mm；ksep为阳极板和阴极板的扣除肋部后的剩余部分的有效导热系数，其通过公式1计算；δPEM为质子交换膜的厚度，单位为mm；kPEM为质子交换膜的有效导热系数，其通过公式1计算；
(4)根据如下公式6、公式7、公式8、公式9和公式10计算燃料电池反应表面的总换热量，
公式6：Qrib.c＝AKrib.c(Treact-Tsurf.c)/2
公式7：Qrib.a＝AKrib.a(Treact-Tsurf.a)/2
公式8：Qchan.c＝AKchan.c(Treact-Tsurf.c)/2
公式9：Qchan.a＝AKchan.a(Treact-Tsurf.a)/2
公式10：Qreact＝Qrib.c+Qrib.a+Qchan.c+Qchan.a
在公式6、公式7、公式8、公式9和公式10中，Qrib.c为阴极板肋部换热量，单位为W；Krib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式2计算；A为换热面积，单位为m2；Treact为反应表面温度，单位为℃；Tsurf.c为阴极板背面温度，单位为℃；Qrib.a为阳极板肋部换热量，单位为W；Krib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式3计算；Tsurf.a为阳极板背面温度，单位为℃；Qchan.c为阴极流道部换热量，单位为W；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式4计算；Qchan.a为阳极流道部换热量，单位为W；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式5计算；Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；
(5)根据如下公式11、公式12、公式13和公式14计算得到燃料电池反应表面的总换热量，
公式11：Qreact＝ΔH-ΔG
公式12：
公式13：ΔG＝I×V
公式14：
在公式11、公式12、公式13和公式14中，Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W，其通过公式6至10计算；ΔH为反应过程燃料电池所释放的能量；ΔG为燃料电池的发电功率；CH2是供应到燃料电池的H2的摩尔流量，单位为mol/s，qHHV指定为高热值285.33kJ/mol；I为燃料电池的负载电流，单位为A；V是燃料电池的负载电压，单位为伏；n为电荷数；F为法拉第常数，单位为c/mol；
(6)利用热量守恒原则确定反应表面温度与双极板背面温度之间的关系，将上述公式1至9和11至14都带入到公式10中，整理后得出如下公式15，
公式15：
其中，Treact为反应表面温度，单位为℃；Tsurf.c为阴极板背面温度，单位为℃；Tsurf.a为阳极板背面温度，单位为℃；Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；Krib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；A为换热面积，单位为m2；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Krib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；
步骤3：利用初始温度控制单元和冷却控制单元对质子交换膜燃料电池的温度进行控制，包括：
依据燃料电池电堆发生电化学反应所需的最优温度范围要求，通过初始温度控制单元对燃料电池的供气初始温度进行控制，由第一电加热器对储氢设备中的氢进行加热，由第一温度传感器检测经第一电加热器加热后的氢的初始温度；
利用冷却控制单元实现燃料电池运行过程中的温度保持和热能量交换，在水泵正常运行过程中同时开启温度控制，如果第三温度传感器测量到的温度高于目标温度值，通过PID控制器调高流入板式换热器的冷却水流量，将温度控制到目标温度值；如果第三温度传感器测量到的温度低于目标温度值，通过PID控制器制调低流入板式换热器的冷却水流量，将温度控制到目标温度值，其中目标温度值为计算出的反应表面温度或者是由第一温度传感器检测到的经第一电加热器加热后的氢的初始温度。
优选地，在上述质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法中，如果第一温度传感器检测到的氢的初始温度达到最优温度范围，则将氢供应到燃料电池内以发生电化学反应；如果第一温度传感器检测到的氢的初始温度未达到最优温度范围，则由第一电加热器对储氢设备中的氢再次进行加热，直至由第一温度传感器检测到的氢的初始温度达到最优温度范围。
本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及利用该系统实施的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，能够对质子交换膜燃料电池反应表面温度进行有效、简便并且可靠准确的测量和控制，从而解决现有技术中存在的上述问题，并由此提高质子交换膜燃料电池的发电性能以及延长质子交换膜燃料电池的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是质子交换膜燃料电池的结构示意图。
图2是本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统的示意框图。
图3是图2所示的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统中的黑体观察面在质子交换膜燃料电池上的设置状态图。
图4是图3所示的黑体观察面的示意图。
图5是图4所示的黑体观察面中的区域A的示意图。
图6是本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法所用的质子交换膜燃料电池一维换热模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及利用该系统实施的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，用于对质子交换膜燃料电池反应表面温度进行测量和控制，以下结合附图2、3、4、5和6对本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及利用该系统实施的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法进行详细说明。
如图2所示，本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统包括温度测量单元(图中未示出)、初始温度控制单元10和冷却控制单元20，其中：
温度测量单元包括红外热像仪以及反应表面温度计算模块，红外热像仪测量质子交换膜燃料电池阴极板和阳极板的背面温度，反应表面温度计算模块根据来自红外热像仪测得的阴极板和阳极板的背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，其中红外热像仪是通过非接触探测红外热量，并将其转换生成与物体表面的热分布场相对应的热图像和温度值，进而将其显示在显示器上，并可以对温度值进行计算的一种检测设备，红外热像仪在各种设备维护场景中，具有非常广泛的应用，通过对各类设备进行热像拍摄，获取各类设备的热像温度分布图，并且可以提前设置测量温度范围，例如入口温度为90℃时，测量温度范围设置为80～100℃，红外热像仪的拍摄方式是精准拍摄，进行双极板温度的测量然后存储数据，并把数据导出到计算机内进行数据处理；
初始温度控制单元10设置在储氢设备40和燃料电池30之间，包括第一电加热器11和第一温度传感器12，第一电加热器11对储氢设备40中的氢进行加热，第一温度传感器12检测经第一电加热器11加热后的氢的初始温度；
冷却控制单元20连接于燃料电池30，主要实现燃料电池运行过程中的温度保持和热能量交换，包括第二温度传感器21、第二电加热器22、板式换热器23、水泵24、补水系统25、第三温度传感器26、以及PID控制器(比例-积分-微分控制器)。
为便于由红外热像仪对质子交换膜燃料电池阴极板和阳极板的背面温度进行准确测量，在阳极板和阴极板的背面分别设置有黑体观察面。详细而言，如图3所示，质子交换膜燃料电池包括质子交换膜31、阳极催化剂层32和阴极催化剂层32′、阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层33′、阳极板34和阴极板34′，其中，阳极催化剂层32、阳极气体扩散层33和阳极板34按照从靠近质子交换膜31到远离质子交换膜31的顺序逐次设置在质子交换膜31的一侧，阴极催化剂层32′、阴极气体扩散层33′和阴极板34′按照从靠近质子交换膜31到远离质子交换膜31的顺序逐次设置在质子交换膜31的另一侧，其中阴极催化剂层32′与质子交换膜31的交界面即为质子交换膜燃料电池的反应表面36。质子交换膜31的材质例如可以是全氟磺酸膜，阳极催化剂层32和阴极催化剂层32′的材质例如可以是Pt/C，阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层33′的材质例如可以是碳纤维纸，阳极板34和阴极板34′的材质例如可以是碳石墨纤维。
在阳极板34和阴极板34′的背面分别设置有阳极板黑体观察面35和阴极板黑体观察面35′。阳极板黑体观察面35和阴极板黑体观察面35′例如可以是铝或不锈钢材料制成，并通过压装工艺分别固定在阳极板34和阴极板34′的背面，红外热像仪对阳极板黑体观察面35和阴极板黑体观察面35′进行温度测量。
红外热像仪对阳极板黑体观察面35进行温度测量的具体方法如下：如图4所示，将阳极板黑体观察面35的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阳极板背面温度。例如，将阳极板黑体观察面35的观测面积设置为40mm×50mm，并且将观测面划分为从A至T的20个10mm×10mm的小区域，通过红外热像仪测得小区域A至T的各自温度，然后将小区域A至T的温度进行平均即为阳极板34背面温度。红外热像仪对阴极板黑体观察面35′进行温度测量，得出阴极板34′背面温度，其具体方法与上述对阳极板黑体观察面35进行温度测量的方法相同，本文不再赘述。
一般情况下，由于客观上存在小区域A至T中个别小区域因其位置对应于气体出入口或者排水口，在此情况下，该小区域的温度将无法由红外热像仪准确测量得到。对于这类小区域，以小区域A为例，按照如下方法来进行温度测量：
如图5所示，将A区域划分为水平方向多个点、竖直方向多个点，由红外热像仪测量A区域内水平方向上的上述多个点的温度，将所有点中温度降幅较大的点对应的温度排除，剩下的点的温度取平均值即为A区域的温度。为了简化测量，例如可以将A区域划分为水平方向30个点、竖直方向30个点，总计900个点，首先由红外热像仪测量A区域内第1竖列内30个点的温度，取平均值作为第1竖列温度，接着测量A区域内第2竖列内30个点的温度，取平均值作为第2竖列温度，以此方式，测量获得第3、4…30竖列温度，即可获得总计30个竖列温度，对应于表1所示的点位置1至30的温度，然后排除掉例如17-30这14个温度降幅较大的点，剩余的1-16的点的温度取平均值即为A区域的温度。
表1
在如上所述通过红外热像仪测量得到质子交换膜燃料电池阳极板背面温度和阴极板背面温度后，反应表面温度计算模块根据阳极板背面温度和阴极板背面温度计算得出质子交换膜燃料电池的反应表面温度。具体而言，反应表面温度计算模块按照如下方式根据阳极板背面温度和阴极板背面温度来计算反应表面温度：
(1)建立质子交换膜燃料电池一维换热模型：
图6示出了本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统及方法所用的质子交换膜燃料电池一维换热模型结构示意图。在该一维换热模型中，燃料电池分为上部的肋部和下部的流道部，并且燃料电池的传热都沿平面方向进行，反应表面产生的热量分别传递到阴极板和阳极板。
(2)利用如下公式1计算多孔介质的有效导热系数：
公式1：
式中，kE是有效导热系数，单位为W/(m·K)，kS为多孔介质固体部导热系数单位为W/(m·K)，kF为多孔介质流体部导热系数，单位为W/(m·K)，ε为多孔介质孔隙率。本文的多孔介质包括上述质子交换膜31、阳极催化剂层32和阴极催化剂层32′、阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层33′、阳极板34和阴极板34′。
(3)根据如下公式2、公式3、公式4和公式5计算燃料电池各部件的总传热系数，其中燃料电池各部件包括上述质子交换膜31、阳极催化剂层32和阴极催化剂层32′、阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层33′、阳极板34和阴极板34′：
公式2：
公式3：
公式4：
公式5：
在公式2、公式3、公式4和公式5中，Krib.c为阴极板34′肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；Krib.a为阳极板34肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；δcat为阳极催化剂层32和阴极催化剂层32′的厚度，单位为mm；kcat为阳极催化剂层32和阴极催化剂层32′的有效导热系数，其通过公式1计算；δGDL为阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层33′的厚度，单位为mm；kGDL为阳极气体扩散层33和阴极气体扩散层33′的有效导热系数，其通过公式1计算；δrib为阳极板34和阴极板34′的肋部厚度，单位为mm；krib为阳极板34和阴极板34′的肋部有效导热系数，其通过公式1计算；δsep为阳极板34和阴极板34′的扣除肋部后的剩余部分的厚度，单位为mm；ksep为阳极板34和阴极板34′的扣除肋部后的剩余部分的有效导热系数，其通过公式1计算；δPEM为质子交换膜31的厚度，单位为mm；kPEM为质子交换膜31的有效导热系数，其通过公式1计算。
(4)基于如下公式6、公式7、公式8、公式9和公式10计算燃料电池反应表面的总换热量：
公式6：Qrib.c＝AKrib.c(Treact-Tsurf.c)/2
公式7：Qrib.a＝AKrib.a(Treact-Tsurf.a)/2
公式8：Qchan.c＝AKchan.c(Treact-Tsurf.c)/2
公式9：Qchan.a＝AKchan.a(Treact-Tsurf.a)/2
公式10：Qreact＝Qrib.c+Qrib.a+Qchan.c+Qchan.a
在公式6、公式7、公式8、公式9和公式10中，Qrib.c为阴极板34′肋部换热量，单位为W；Krib.c为阴极板34′肋部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式2计算；A为换热面积，单位为m2；Treact为反应表面温度，单位为℃；Tsurf.c为阴极板34′背面温度，单位为℃；Qrib.a为阳极板34肋部换热量，单位为W；Krib.a为阳极板34肋部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式3计算；Tsurf.a为阳极板34背面温度，单位为℃；Qchan.c为阴极流道部换热量，单位为W；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式4计算；Qchan.a为阳极流道部换热量，单位为W；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式5计算；Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W。
(5)基于公式11(燃料电池能量守恒方程)、公式12、公式13和公式14(法拉第定律)计算得到燃料电池反应表面的总换热量：
公式11：Qreact＝ΔH-ΔG
公式12：
公式13：ΔG＝I×V
公式14：
在公式11、公式12、公式13和公式14中，Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W，其通过公式6至10计算；ΔH为反应过程燃料电池所释放的能量；ΔG为燃料电池的发电功率；CH2是供应到燃料电池的H2的摩尔流量，单位为mol/s，qHHV指定为高热值285.33kJ/mol；I为燃料电池的负载电流，单位为A；V是燃料电池的负载电压，单位为伏；n为电荷数；F为法拉第常数，单位为c/mol。
(6)利用热量守恒原则确定反应表面温度与双极板背面温度之间的关系，即将上述公式1至9和11至14都带入到公式10中，整理后得出：
公式15：
其中，Treact为反应表面温度，单位为℃；Tsurf.c为阴极板34′背面温度，单位为℃；Tsurf.a为阳极板34背面温度，单位为℃；Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；Krib.c为阴极板34′肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；A为换热面积，单位为m2；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Krib.a为阳极板34肋部总传热系数，单位为W/(m2K)。
通过如上所述由反应表面温度计算模块计算得出反应表面温度后，利用初始温度控制单元10和冷却控制单元20对质子交换膜燃料电池的温度进行控制，具体控制过程如下：
首先，依据燃料电池电堆发生电化学反应所需的最优温度范围要求，通过初始温度控制单元10对燃料电池的供气初始温度进行控制，由第一电加热器11对储氢设备40中的氢进行加热，由第一温度传感器12检测经第一电加热器11加热后的氢的初始温度。如果第一温度传感器12检测到的氢的初始温度达到上述最优温度范围，则将氢供应到燃料电池内以发生电化学反应即可；如果第一温度传感器12检测到的氢的初始温度未达到上述最优温度范围，则由第一电加热器11对储氢设备40中的氢再次进行加热，直至由第一温度传感器12检测到的氢的初始温度达到上述最优温度范围。
通常而言，如果储氢设备40为气态储氢罐，则只需一次温度调控即可使氢的初始温度达到最优温度范围，如果储氢设备40为固态储氢，则一般需要两次温度调控，原因在于需要对储氢设备40本身升温以使得固态氢释放氢气，然后再对氢气进行加热。
其次，利用冷却控制单元20实现燃料电池运行过程中的温度保持和热能量交换，保证燃料电池反应表面温度不因燃料电池内部电化学放热反应而升温。冷却控制单元20包括两级回路，分别是内循环回路和外循环回路，其中内循环回路是与燃料电池接的回路，介质为去离子水或者乙二醇；外循环回路是与冷却塔连接的回路，介质为普通水或防冻液；两条循环回路通过板式换热器实现能量交换。冷却控制单元20包括第二温度传感器21、第二电加热器22、板式换热器23、水泵24、补水系统25、第三温度传感器26、以及PID控制器(比例-积分-微分控制器)和其他各类阀件。冷却控制单元20的温度控制过程是：内循环回路中的水泵24正常运行，同时开启温度控制。当内循环控制的实际温度即第三温度传感器26测量到的温度高于目标温度值时，通过PID控制器调节外冷却回路的比例阀，使得流入板式换热器23的流量增加，从而将温度控制到设定值，其中目标温度值为计算出的反应表面温度或者是由第一温度传感器12检测经第一电加热器11加热后的氢的初始温度；如果内循环控制的实际温度即第三温度传感器26测量到的温度低于目标温度值时，通过PID控制器制调低流入板式换热器23的冷却水流量。另外，可以通过水箱加热进行温度补偿功能。冷却系统回路中的水泵通过变频器来控制水泵电机的驱动频率，从而调节水泵转速，改变水冷却回路的流量。在线流量计把测得的流量值传递给控制器后，控制程序可根据预设的控制模型将流量调节到一定值，使电池出入口温差满足用户要求。
利用本发明的质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统以及利用该系统实施的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，能够对质子交换膜燃料电池反应表面温度进行有效、简便并且可靠准确的测量和控制，由此提高质子交换膜燃料电池的发电性能以及延长质子交换膜燃料电池的使用寿命。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。同时，本文中使用的术语“连接”等应做广义理解，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连。
还需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。

Claims (2)

1.一种质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，其利用质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统对质子交换膜燃料电池温度进行测量和控制，所述质子交换膜燃料电池包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，在阳极板和阴极板的背面分别设置有阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面，所述阳极板黑体观察面和所述阴极板黑体观察面由铝或不锈钢材料制成，所述质子交换膜燃料电池温度测量和控制系统包括温度测量单元、初始温度控制单元和冷却控制单元，其中：温度测量单元包括红外热像仪以及反应表面温度计算模块，红外热像仪测量质子交换膜燃料电池阴极板和阳极板的背面温度，反应表面温度计算模块根据来自红外热像仪测得的阴极板和阳极板的背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，其中所述反应表面是阴极催化剂层与质子交换膜的交界面；初始温度控制单元设置在燃料电池和燃料电池的储氢设备之间，包括第一电加热器和第一温度传感器，第一电加热器对储氢设备中的氢进行加热，第一温度传感器检测经第一电加热器加热后的氢的初始温度；冷却控制单元连接于燃料电池，包括第二温度传感器、第二电加热器、板式换热器、水泵、补水系统、第三温度传感器、以及PID控制器，
其特征在于，所述质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法包括：
步骤1：利用红外热像仪对阳极板黑体观察面和阴极板黑体观察面进行温度测量以得到阳极板背面温度和阴极板背面温度，包括：将阳极板黑体观察面的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阳极板背面温度；将阴极板黑体观察面的观测面积划分为多个小区域，通过红外热像仪测得每个小区域的温度，再将所有小区域的温度进行平均即为阴极板背面温度；
步骤2：通过反应表面温度计算模块根据阳极板背面温度和阴极板背面温度计算质子交换膜燃料电池的反应表面温度，包括：
(1)建立质子交换膜燃料电池一维换热模型，在所述一维换热模型中，燃料电池分为上部的肋部和下部的流道部，并且燃料电池的传热沿平面方向进行，反应表面产生的热量分别传递到阴极板和阳极板；
(2)根据如下公式1计算多孔介质的有效导热系数，其中所述多孔介质包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，
公式1：
在公式1中，kE是有效导热系数，单位为W/(m·K)，kS为多孔介质固体部导热系数单位为W/(m·K)，kF为多孔介质流体部导热系数，单位为W/(m·K)，ε为多孔介质孔隙率；
(3)根据如下公式2、公式3、公式4和公式5计算燃料电池各部件的总传热系数，其中燃料电池各部件包括质子交换膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层、阳极气体扩散层和阴极气体扩散层、阳极板和阴极板，
公式2：
公式3：
公式4：
公式5：
在公式2、公式3、公式4和公式5中，Krib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；Krib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；δcat为阳极催化剂层和阴极催化剂层的厚度，单位为mm；kcat为阳极催化剂层和阴极催化剂层的有效导热系数，其通过公式1计算；δGDL为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的厚度，单位为mm；kGDL为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层的有效导热系数，其通过公式1计算；δrib为阳极板和阴极板的肋部厚度，单位为mm；krib为阳极板和阴极板的肋部有效导热系数，其通过公式1计算；δsep为阳极板和阴极板的扣除肋部后的剩余部分的厚度，单位为mm；ksep为阳极板和阴极板的扣除肋部后的剩余部分的有效导热系数，其通过公式1计算；δPEM为质子交换膜的厚度，单位为mm；kPEM为质子交换膜的有效导热系数，其通过公式1计算；
(4)根据如下公式6、公式7、公式8、公式9和公式10计算燃料电池反应表面的总换热量，
公式6：Qrib.c＝AKrib.c(Treact-Tsurf.c)/2
公式7：Qrib.a＝AKrib.a(Treact-Tsurf.a)/2
公式8：Qchan.c＝AKchan.c(Treact-Tsurf.c)/2
公式9：Qchan.a＝AKchan.a(Treact-Tsurf.a)/2
公式10：Qreact＝Qrib.c+Qrib.a+Qchan.c+Qchan.a
在公式6、公式7、公式8、公式9和公式10中，Qrib.c为阴极板肋部换热量，单位为W；Krib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式2计算；A为换热面积，单位为m2；Treact为反应表面温度，单位为℃；Tsurf.c为阴极板背面温度，单位为℃；Qrib.a为阳极板肋部换热量，单位为W；Krib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式3计算；Tsurf.a为阳极板背面温度，单位为℃；Qchan.c为阴极流道部换热量，单位为W；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式4计算；Qchan.a为阳极流道部换热量，单位为W；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)，其通过公式5计算；Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；
(5)根据如下公式11、公式12、公式13和公式14计算得到燃料电池反应表面的总换热量，
公式11：Qreact＝ΔH-ΔG
公式12：
公式13：ΔG＝I×V
公式14：
在公式11、公式12、公式13和公式14中，Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W，其通过公式6至10计算；ΔH为反应过程燃料电池所释放的能量；ΔG为燃料电池的发电功率；CH2是供应到燃料电池的H2的摩尔流量，单位为mol/s，qHHV指定为高热值285.33kJ/mol；I为燃料电池的负载电流，单位为A；V是燃料电池的负载电压，单位为伏；n为电荷数；F为法拉第常数，单位为c/mol；
(6)利用热量守恒原则确定反应表面温度与双极板背面温度之间的关系，将上述公式1至9和11至14都带入到公式10中，整理后得出如下公式15，
公式15：
其中，Treact为反应表面温度，单位为℃；Tsurf.c为阴极板背面温度，单位为℃；Tsurf.a为阳极板背面温度，单位为℃；Qreact为燃料电池反应表面的总换热量，单位为W；Krib.c为阴极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；A为换热面积，单位为m2；Kchan.c为阴极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Kchan.a为阳极流道部总传热系数，单位为W/(m2K)；Krib.a为阳极板肋部总传热系数，单位为W/(m2K)；
步骤3：利用初始温度控制单元和冷却控制单元对质子交换膜燃料电池的温度进行控制，包括：
依据燃料电池电堆发生电化学反应所需的最优温度范围要求，通过初始温度控制单元对燃料电池的供气初始温度进行控制，由第一电加热器对储氢设备中的氢进行加热，由第一温度传感器检测经第一电加热器加热后的氢的初始温度；
利用冷却控制单元实现燃料电池运行过程中的温度保持和热能量交换，在水泵正常运行过程中同时开启温度控制，如果第三温度传感器测量到的温度高于目标温度值，通过PID控制器调高流入板式换热器的冷却水流量，将温度控制到目标温度值；如果第三温度传感器测量到的温度低于目标温度值，通过PID控制器制调低流入板式换热器的冷却水流量，将温度控制到目标温度值，其中目标温度值为计算出的反应表面温度或者是由第一温度传感器检测到的经第一电加热器加热后的氢的初始温度。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池温度测量和控制方法，其特征在于，如果第一温度传感器检测到的氢的初始温度达到最优温度范围，则将氢供应到燃料电池内以发生电化学反应；如果第一温度传感器检测到的氢的初始温度未达到最优温度范围，则由第一电加热器对储氢设备中的氢再次进行加热，直至由第一温度传感器检测到的氢的初始温度达到最优温度范围。
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