CN114267852A - 一种电池的实时氮与水管理的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池的实时氮与水管理的装置，包括供气单元，流量传感器，温湿度传感器，加热模块，冷却模块，氢气浓度传感器，数据采集单元和数据处理单元，供气单元可以提供燃料电池所需的气体，流量传感器和温湿度传感器分别分布于电池的阴阳极入口和出口，与电池电堆相连接，加热模块与燃料电池阴极出口管路相连接，冷却模块与电池阳极出口管路相连接，流量传感器，温湿度传感器，氢气浓度传感器与数据采集单元所连接，数据处理单元与数据采集单元相连接。其中本发明的有益效果是：在不影响电堆运行的情况下，准确实时地对燃料电池阴阳极的水管理和阳极氮管理的情况进行测量监测，提升燃料电池的稳定性和耐久性。

Description

一种电池的实时氮与水管理的装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种电池的实时氮与水管理的装置。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将氢氧通过电化学反应产生电能的发电装置，具有能量转换效率高，环境友好，噪声低等多项优点。质子交换膜燃料电池的性能和耐久性受到很多方面因素的影响，其中燃料电池的水管理一直以来都是影响其性能和寿命的重要因素。一方面，未充分湿润的质子交换膜质子传导率较低，会导致燃料电池整体阻抗增大，影响输出功率。另一方面，过量的积聚的水不但会阻碍反应气体通过气体扩散层达到反应界面，还会引起催化剂有效表面积损失，恶化高分子聚合物的溶解腐蚀和污染等材料变性，造成质子交换膜燃料电池性能和寿命衰减，此类现象一般被称为燃料电池的“水淹”现象。目前，对质子交换膜燃料电池内部水含量的评估主要依赖于交流阻抗测量法，通过交流阻抗谱的变化来判断燃料电池内部水的状态。然而，由于需要采样不同交流频率电流下的稳态输出电压，因而交流阻抗谱的测量时间较长，难以实现在线实时的测量。

除了燃料电池的水管理，燃料电池的氮管理同样影响着其性能与寿命。质子交换膜燃料电池在运行过程中，阴极通入加压的空气，阳极通入氢气瓶减压后的纯氢。经过电化学反应后，阴极空气中的氧气被消耗，氮气在阴极不断累积，由于浓度差引起的扩散作用，阴极侧的氮气不断向阳极侧扩散。阳极侧不断升高的氮浓度会降低燃料电池的发电功率且对催化剂有破坏作用，所以质子交换膜燃料电池阳极侧的氮浓度管理是至关重要的。

因此需要一种对质子交换膜燃料电池的水和氮进行实时监控的装置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种可以对电池进行实时氮与水管理的装置及方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种电池的实时氮与水管理的装置，包括阳极管路、阴极管路、供气单元、流量传感器、温湿度传感器、氢气浓度传感器、数据采集单元和数据处理单元，阳极管路连接电池阳极腔室，阴极管路连接电池阴极腔室，供气单元分别与阳极管路的入口和阴极管路的入口相连接，阳极管路的入口、阳极管路的出口、阴极管路的入口和阴极管路的出口均设置有流量传感器和温湿度传感器，阳极管路的出口还设置有第二冷却模块、第三冷却模块和第二加热模块，阴极管路的出口设置第一冷却模块和第一加热模块，氢气传感器设置在阳极管路的出口，流量传感器、温湿度传感器、氢气浓度传感器与数据采集单元连接，数据处理单元与数据采集单元相连接。

优选地，流量传感器包括第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第五流量传感器、第六流量传感、第七流量传感器和第八流量传感器，第一流量传感器设置在阴极管路的入口，第二流量传感器、第三流量传感器和第四流量传感器设置在阴极管路的出口，第五流量传感器设置在阳极管路的入口，第六流量传感器、第七流量传感器和第八流量传感器设置在阳极管路的出口，温湿度传感器包括第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器、第四温湿度传感器、第五温湿度传感器和第六温湿度传感器，第一温湿度传感器设置在阴极管路的入口，第二温湿度传感器和第三温湿度传感器设置在阴极管路的出口，第四温湿度传感器设置在阳极管路的入口，第五温湿度传感器和第六温湿度传感器设置在阳极管路的出口。

优选地，供气单元包括阴极供气模块和阳极供气模块，阴极供气模块与阴极管路的入口相连接，阳极供气模块与阳极管路的入口相连接。

优选地，阴极供气模块提供空气和水蒸气混合气体，阳极供气模块提供氢气、和水蒸气混合气体。

优选地，还包括第一电磁阀门、第二电磁阀门、第三电磁阀门、第四电磁阀门、第五电磁阀门和第六电磁阀门，第一电磁阀门、第二电磁阀门、第三电磁阀门和第四电磁阀门设置在所述阴极管路的出口，第五电磁阀门和第六电磁阀门设置在阳极管路的出口。

优选地，第一电磁阀门设置在第二温湿度传感器与阴极管路的出口之间，第二电磁阀门设置在第二温湿度传感器与第一加热模块之间，第三电磁阀设置在第三温湿度传感器与第三流量传感器之间，第四电磁阀设置在第三温湿度传感器和第一冷却模块之间，第五电磁阀设置在第六温湿度传感器和第七流量传感器之间，第六电磁阀设置在第六温湿度传感器和第二冷却模块之间。

优选地，阴极管路的出口与第一加热模块、第三温湿度、第一冷却模块、第四流量传感器并联连接，第三流量传感器与第一冷却模块、第四流量传感器并联连接，第二冷却模块、第八流量传感器与第七流量传感器、第三冷却模块并联连接。

一种电池的实时氮与水管理的方法，使用上述的装置，包括如下步骤：

S1：通过供气单元向电池的阴极和阳极进行通气；

S2：记录电池阳极入口和阴极入口的所述温湿度传感器和流量传感器的读数，计算出所述阳极管路的水蒸气流量Qa,i kg/s，所述阴极管路的水蒸气流量Qc,i kg/s；

S3：在阴极管路中，若第二温湿度传感器显示相对湿度小于100％，则打开第一电磁阀门，计算所述阴极管路水蒸气流量Qc,o1；若第二温湿度传感器显示相对湿度为100％，打开第二电磁阀门，气体先通入第一加热模块，打开第三电磁阀，若第三温湿度传感器显示水蒸气达到饱和状态，通过第三流量传感器计算出所述阴极管路的出口的水蒸气流量Qc,o2，若第三温湿度传感器显示水蒸气未达到饱和状态，则打开第四电磁阀，关闭第三电磁阀，通过第四流量传感器计算出所述阴极管路的出口的水流量Qc,o2；

S4：在阳极管路中，打开第五电磁阀，若第五温湿度传感器显示相对湿度小于100％，通过第六流量传感器和第五温湿度传感器的读数计算出水蒸气的流量Qa,o1；若第五温湿度传感器显示相对湿度为100％，且所述第二加热模块后的第六流量传感器显示相对湿度小于100％，则通过第七流量传感器计算出所述阳极管路的水蒸气流量Qa,o2，再通过第二冷却模块；若第二加热模块后的第六流量传感器显示相对湿度等于100％，关闭第五电磁阀，打开第六电磁阀，气体通过第三冷却模块，通过第八流量传感器计算出所述阳极管路中的水蒸气含量Qa,o2，气体通过氢气浓度传感器测得氢气浓度为a％，则氮气浓度为B＝1-a％；

S5：阳极管路生成的水流量为A＝Qa,o2-Qa,i，阴极管路生成的水流量为C＝Qc,o2-Qc,i；

S6：在所述阴极管路和所述阳极管路的尾气口收集液态水，测量液态水中的电导率D。

优选地，电池内部反应生成的水为S g/s，阳极管路的水流量为A，阴极管路的水流量为C，若A+C＝S，则电池处于水平衡状态，若A+C<S,则电池内部积聚造成水淹，若A+C>S,则电池内部过干，A与Ka之间的误差不大于10％，C与Kc之间的误差不大于10％，中Ka和Kc为用于判断燃料电池阴阳极水淹还是膜干的预设值，通过实验标定所得，不同大小电堆的燃料电池的Ka、Kc值存在不同，但电堆大小相同的燃料电池的Ka、Kc值是相同的。

优选地，氮气浓度B不超过2％-10％，电导率D不超过0.1-5us/cm。

其中，水蒸气的流量Q的计算方式为Q＝(e*RH*V)/(100*R*T)，其中T为温湿度传感器所测得的温度，e为该温度下的饱和蒸汽压，RH为温湿度传感器反馈的相对湿度值，R为水蒸气的气体常数，其值为461.5。V为流量传感器所测得的体积流量，单位为m3/s。

实施本发明的技术方案可解决现有技术中谷峰光弱点的技术问题；实施本发明的技术方案，在不影响电堆运行的情况下，准确实时地对燃料电池阴阳极的水管理和阳极氮管理情况进行测量监测，同时通过对尾排水的电导率的测量来判断膜电极的衰减情况。通过对主要参数的实时监测，可以实现及时对可能恶化燃料电池性能和寿命的情况做出判断，从而提升燃料电池的稳定性和耐久性的技术效果。

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种实施例，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。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

图1为装置结构示意图；

图2为氮水实时管理流程示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1供气单元

2第一流量传感器

3第一温湿度传感器

4第二流量传感器

5第二温湿度传感器

6第一电磁阀门

7第二电磁阀门

8第一加热模块

9第三温湿度传感器

10第三电磁阀门

11第四电磁阀门

12第三流量传感器

13第一冷却模块

14第四流量传感器

15数据采集单元

16数据处理单元

17氢气浓度传感器

18第八流量传感器

19第三冷却模块

20第七流量传感器

21第二冷却模块

22第五电磁阀门

23第六电磁阀门

24第六温湿度传感器

25第二加热模块

26第五温湿度传感器

27第六流量传感器

28第四温湿度传感器

29第五流量传感器

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例1

在一个优选的具体实施例1中，如图1所示，一种电池的实时氮与水管理的装置，包括阳极管路、阴极管路、供气单元1、流量传感器、温湿度传感器、氢气浓度传感器17、数据采集单元15和数据处理单元16，阳极管路连接电池阳极腔室，阴极管路连接电池阴极腔室，供气单元1分别与阳极管路的入口和阴极管路的入口相连接，阳极管路的入口、阳极管路的出口、阴极管路的入口和阴极管路的出口均设置有流量传感器和温湿度传感器，阳极管路的出口还设置有第二冷却模块21、第三冷却模块19和第二加热模块25，阴极管路的出口设置第一冷却模块13和第一加热模块8，氢气浓度传感器17设置在阳极管路的出口，流量传感器、温湿度传感器、氢气浓度传感器17与数据采集单元15所连接，数据处理单元16与数据采集单元15相连接。

在具体的实施例1中，可以对电池的氮和水进行实时的管理，及时对可能恶化燃料电池性能和寿命的电堆状态做出判断，从而提升燃料电池的稳定性和耐久性，本装置在不影响电堆运行的情况下，通过对燃料电池阴阳极出口处水的增加量的实时监测来判断燃料电池的水管理情况；通过测量阳极出口氮气的浓度来反应阳极的氮积聚情况；通过测量阴阳极出口冷却后的液态水的电导率来反应水中的离子浓度，判断质子膜的衰减情况。在电池的阴阳两极通入气体，供气单元1连接电池的阳极腔室和阴极腔室，向阳极通入水蒸气和氢气的混合气体，向阴极通入水蒸气和空气的混合气体，同时供气单元1可以对气体进行加温加湿。在阳极和阴极管路的入口和出口均设置有流量传感器、温湿度传感器，流量传感器可以用来检测管路中气体的流量，温湿度传感器可以用来检测气体的相对湿度值RH。流量传感器包括第一流量传感器2、第二流量传感器4、第三流量传感器12、第四流量传感器14、第五流量传感器29、第六流量传感27、第七流量传感器20和第八流量传感器18，分别在阳极管路的入口和出口设置流量传感器保证对管路中的气体流量进行实时的检测。温湿度传感器包括第一温湿度传感器3、第二温湿度传感器5、第三温湿度传感器9、第四温湿度传感器28、第五温湿度传感器26和第六温湿度传感器23，在阳极管路和阴极管路中的不同位置设置温湿度传感器，可以实现在管路的不同位置上对气体的相对湿度值进行检测，阳极管路出口和阴极管路的出口均设置有电磁阀门，通过对电磁阀门的调整实现对不同管路的开闭转换，保证对相关数据检测的精确度达到最大，可以对电池的氮水进行实时且准确的检测。阳极管路的出口和阴极管路的出口还设置有冷却模块和加热模块，第一冷却模块13设置在阴极管路的出口，对管路中的水蒸气进行冷凝，继而除掉排出气体中的水分，第二冷却模块21和第三冷却模块19设置在阳极管路的出口，也是对气体中的水蒸气进行冷凝。阳极管路的出口和阴极管路的出口均设置有加热模块，加热模块可以提高气体的相对湿度值以此实现对相关数据进行更准确的测量。在阳极管路的出口还设置有氢气浓度传感器17，阳极的气体中含有氮气和氢气，在排出掉水分后，气体经过氢气浓度传感器17就可以实现对氢气浓度的检测，继而可以计算出氮气的浓度，这样就实现了对氮的实时监测和管理。流量传感器、温湿度传感器、氢气浓度传感器17与数据采集单元15所连接，数据采集单元15直接对相关传感器的数据进行收集，数据采集单元15还连接有数据处理单元16，数据处理单元16上存有预设的算法，通过对收集数据进行计算，得出电池的氮水实时状况，及时对可能恶化燃料电池性能和寿命的电堆状态做出判断。

在一种优选的实施方式中，流量传感器包括第一流量传感器2、第二流量传感器4、第三流量传感器12、第四流量传感器14、第五流量传感器29、第六流量传感27、第七流量传感器20和第八流量传感器18，第一流量传感器2设置在阴极管路的入口，第二流量传感器4、第三流量传感器12和第四流量传感器14设置在阴极管路的出口，第五流量传感器29设置在阳极管路的入口，第六流量传感器27、第七流量传感器20和第八流量传感器18设置在阳极管路的出口，温湿度传感器包括第一温湿度传感器3、第二温湿度传感器5、第三温湿度传感器9、第四温湿度传感器28、第五温湿度传感器26和第六温湿度传感器23，第一温湿度传感器3设置在阴极管路的入口，第二温湿度传感器5和第三温湿度传感器9设置在阴极管路的出口，第四温湿度传感器28设置在阳极管路的入口，第五温湿度传感器26和第六温湿度传感器23设置在阳极管路的出口。

在本具体实施方式中，流量传感器可以用来检测管路中气体的流量，温湿度传感器可以用来检测气体的相对湿度值RH。流量传感器包括第一流量传感器2、第二流量传感器4、第三流量传感器12、第四流量传感器14、第五流量传感器29、第六流量传感27、第七流量传感器20和第八流量传感器18，分别在阳极管路的入口和出口设置流量传感器保证对管路中的气体流量进行实时的检测。温湿度传感器包括第一温湿度传感器3、第二温湿度传感器5、第三温湿度传感器9、第四温湿度传感器28、第五温湿度传感器26和第六温湿度传感器23，在阳极管路和阴极管路中的不同位置设置温湿度传感器，可以实现在管路的不同位置上对气体的相对湿度值进行检测。

在一种优选的实施方式中，供气单元1包括阴极供气模块和阳极供气模块，阴极供气模块与阴极管路的入口相连接，阳极供气模块与阳极管路的入口相连接。

在本具体实施方式中，供气单元1连接电池的阳极腔室和阴极腔室，向阳极通入水蒸气和氢气的混合气体，向阴极通入水蒸气和空气的混合气体，同时供气单元1可以对气体进行加温加湿。

在一种优选的实施方式中，阴极供气模块提供空气和水蒸气混合气体，阳极供气模块提供氢气和水蒸气混合气体。

在本具体实施方式中，阴极通入空气和水蒸气可以对阴极中的水进行测量和计算，阳极在电池反应过程中会产生氮气，通过氢气和水蒸气可以对阳极的水和氮气进行准确的测量。

在一种优选的实施方式中，还包括第一电磁阀门6、第二电磁阀门7、第三电磁阀门10、第四电磁阀门11、第五电磁阀门22和第六电磁阀门23，第一电磁阀门6、第二电磁阀门7、第三电磁阀门10和第四电磁阀门11设置在阴极管路的出口，第五电磁阀门22和第六电磁阀门23设置在阳极管路的出口。

在本具体实施方式中，阳极管路出口和阴极管路的出口均设置有电磁阀门，通过对电磁阀门的调整实现对不同管路的开闭转换，保证对相关数据检测的精确度达到最大，可以对电池的氮水进行实时且准确的检测。

在一种优选的实施方式中，第一电磁阀门6设置在第二温湿度传感器5与阴极管路的出口之间，第二电磁阀门7设置在第二温湿度传感器5与第一加热模块8之间，第三电磁阀10设置在第三温湿度传感器9与第三流量传感器12之间，第四电磁阀11设置在第三温湿度传感器9和第一冷却模块13之间，第五电磁阀22设置在第六温湿度传感器23和第七流量传感器20之间，第六电磁阀23设置在第六温湿度传感器23和第二冷却模块21之间。

在本具体实施方式中，阳极管路的出口和阴极管路的出口还设置有冷却模块和加热模块，第一冷却模块13设置在阴极管路的出口，对管路中的水蒸气进行冷凝，继而除掉排出气体中的水分，第二冷却模块21和第三冷却模块19设置在阳极管路的出口，也是对气体中的水蒸气进行冷凝。阳极管路的出口和阴极管路的出口均设置有加热模块，加热模块可以提高气体的相对湿度值以此实现对相关数据进行更准确的测量。

在一种优选的实施方式中，阴极管路的出口与第一加热模块8、第三温湿度9、第一冷却模块13、第四流量传感器14并联连接，第三流量传感器12与第一冷却模块13、第四流量传感器14并联连接，第二冷却模块21、第八流量传感器18与第七流量传感器17、第三冷却模块19并联连接。

在本具体实施方式中，在阳极管路的出口和阴极管路的出口设置有不同的并联管路，可以实现在不同的状况下对不同的管路进行转换，以此实现对相关数据的精准测量。

实施例2

在一个优选的具体实施例2中，如图2所示，一种电池的实时氮与水管理的方法，使用上述的装置，包括如下步骤：

S1：通过供气单元1向电池的阴极和阳极进行通气；

S2：记录电池阳极入口和阴极入口的所述温湿度传感器和流量传感器的读数，计算出所述阳极管路的水蒸气流量Qa,i kg/s，所述阴极管路的水蒸气流量Qc,i kg/s；

S3：在阴极管路中，若第二温湿度传感器显示相对湿度小于100％，则打开第一电磁阀门，计算所述阴极管路水蒸气流量Qc,o1；若第二温湿度传感器显示相对湿度为100％，打开第二电磁阀门，气体先通入所述第一加热模块，打开第三电磁阀，若第三温湿度传感器显示水蒸气达到饱和状态，通过第三流量传感器计算出所述阴极管路的出口的水蒸气流量Qc,o2，若第三温湿度传感器显示水蒸气未达到饱和状态，则打开第四电磁阀，关闭第三电磁阀，通过第四流量传感器计算出所述阴极管路的出口的水流量Qc,o2；

S4：在阳极管路中，打开第五电磁阀，若相对湿度小于100％，通过第六流量传感器和第四温湿度传感器的读数计算出水蒸气的流量Qa,o1；若相对湿度为100％，若所述第二加热模块后的第六流量传感器显示相对湿度小于100％，则通过第七流量传感器计算出所述阳极管路的水蒸气流量Qa,o2，再通过所述第二冷却模块；若所述第二加热模块后的第六流量传感器显示相对湿度等于100％，关闭第五电磁阀，打开第六电磁阀，气体通过第三冷却模块，通过第八流量传感器计算出所述阳极管路中的水蒸气含量Qa,o2，气体通过所述氢气传感器测得氢气浓度为a％，则氮气浓度为B＝1-a％；

S5：阳极管路生成的水流量为A＝Qa,o2-Qa,i，阴极管路生成的水流量为C＝Qc,o2-Qc,i；

S6：在所述阴极管路和所述阳极管路的尾气口收集液态水，测量液态水中的电导率D。

在具体的实施例2中，电池的阴阳极通入气体，电池的阴极管路的入口为空气和水蒸气的混合气体，阳极管路的入口为氢气和水蒸气的混合气体。通过阴阳极入口的第一流量传感器2、第五流量传感器29、第一温湿度传感器3和第四温湿度传感器28的测量值分别计算出阴阳极入口增湿气体中的含水量，阳极水蒸气的流量为为Qa,i kg/s，阴极水蒸气的流量为Qc,i kg/s。水蒸气的流量Q的计算方式为Q＝(e*RH*V)/(100*R*T)，其中T为温湿度传感器所测得的温度，e为该温度下的饱和蒸汽压，RH为温湿度传感器反馈的相对湿度值，R为水蒸气的气体常数，其值为461.5。V为流量传感器所测得的体积流量，单位为m3/s。

电池的阴极出口的气体为空气(过量)和水蒸气的混合气体，混合气体先经过第二流量传感器4和第二温湿度传感器5。(1)若第二温湿度传感器5显示气体的相对湿度小于100％，则表明混合气体中没有水蒸气，第一电磁阀门6打开，排放阴极尾气。计算出阴极管路的出口水蒸气流量Qc,o1，其中T和RH分别为出口温湿度传感器所测得的温度与相对湿度；(2)若第二温湿度传感器5显示气体相对湿度为100％，则表明混合气体中带有水蒸气，此时打开第二电磁阀7，混合气体先通入第一加热模块8，加热到温度Td，若第三温湿度传感器9显示此时水蒸气达到饱和状态，则通过第三流量传感器12计算得到阴极出口的水蒸气流量Qc,o2。若第二温湿度传感器5显示气体相对湿度小于100％，关闭第三电磁阀门10打开第四电磁阀门11，通过第一冷却模块13，因为此时混合气体中水蒸气含量较高，升温到Td时未达到露点温度，这样就可以使得使混合气体中的水蒸气全部转化为液态水，再通过第四流量传感器14测得阴极出口的水流量Qc,o2，其中Qc,o2-Qc,o1的值为混合气体中液态水的流量，Qc,o1的值为气态水的流量。其中气态占X1＝Qc,o1/Qc,o2，液态占X2＝1-Qc,o1/Qc,o2。RH小于100时Qc,o1＝Qc,o2。

阳极管路的出口气体为氮气、氢气和水蒸气的混合气体，气体通过第五流量传感器19和第四温湿度传感器28，依据数据计算出水蒸气的流量Qa,o1，若相对湿度RH小于100％，则所有水都以气态存在，阳极管路的出口的水流量即为Qa,o1。若相对湿度RH为100％，混合气体先通过第二加热模块25，加热到温度Td，若第六温湿度度传感器23显示水蒸气达到饱和状态，则通过第七流量传感器20的数据计算得到阳极管路的出口水蒸气流量Qa,o2，最后通过第三冷却模块19将混合气体中的水去除，若第六温湿度度传感器23显示水蒸气未达到饱和状态，则气体通过第二冷却模块21，使所有的水蒸气转化为液体水，第八流量传感器18测量所通过的液态水的流量Qa,o2。如果RH等于100，则阳极出口水流量(包含气态和液态)为Qa,o2，其中气态占Y1＝Qa,o1/Qa,o2，液态占Y2＝1-Qa,o1/Qa,o2。RH小于100时Qa,o1＝Qa,o2。

阳极混合气体经过冷却后过滤去除了液态水，混合气体为氮气和氢气的混合气体，混合气体通过氢气浓度传感器17，氢气浓度传感器17测得混合气体中氢气浓度a％，阳极氮气浓度B＝1-a％。

阴极生成的水的流量可以表示为C＝Qc,o2-Qc,i，而阳极生成的水可以表示为A＝Qa,o2-Qa,i。

电池内部反应所生成的水为S g/s，若A+C＝S，则燃料电池处于水平衡状态，反应生成的所有水被排出。若A+C<S,则燃料电池反应的水没有被及时排出，在燃料电池内部积聚造成水淹。若A+C>S,则燃料电池内部可能过干。在水平衡状态下，即A+C＝S，阳极水的增加量A应该等于Ka，阴极水的增加量C应该等于Kc。A与Ka(C与Kc)两者之间的误差不应该超过10％，其中Ka和Kc为用于判断燃料电池阴阳极水淹还是膜干的预设值，通过实验标定所得，不同大小电堆的燃料电池的Ka、Kc值存在不同，但电堆大小相同的燃料电池的Ka、Kc值是相同的，在进行燃料电池的水淹和膜干检测之前需要对电池的Ka和Kc进行测定。若电池处于水淹状态下，即A+C<S，若A<Ka，则表明阳极出现水淹，若C<Kc，则表明阴极出现水淹。电池处于过干状态下，即A+C>S，若A>Ka，则表明阳极过干，若C>Kc，则表明阴极过干。阳极氮气浓度B应该小于常数Kn，Kn的取值范围在2％-10％。在阴阳极尾气口可以收集液态水，通过分析水中的离子含量，可以对膜电极的衰减情况做出判断。所收集水的电导率D应当低于常数Ki，Ki的取值范围在0.1-5us/cm。

在一种优选的实施方式中，电池内部反应生成的水为S g/s，阳极管路的水流量为A，阴极管路的水流量为C，若A+C＝S，则电池处于水平衡状态，若A+C<S,则电池内部积聚造成水淹，若A+C>S,则电池内部过干，A与Ka之间的误差不大于10％，C与Kc之间的误差不大于10％。

在本实施方式中，数据处理单元16对数据采集单元15的数据进行处理并显示出处理结果，具体的为，阴极生成的水的流量可以表示为C＝Qc,o2-Qc,i，而阳极生成的水可以表示为A＝Qa,o2-Qa,i，电池内部反应所生成的水为S g/s，若A+C＝S，则燃料电池处于水平衡状态，反应生成的所有水被排出。若A+C<S,则燃料电池反应的水没有被及时排出，在燃料电池内部积聚造成水淹。若A+C>S,则燃料电池内部可能过干。在水平衡状态下，即A+C＝S，阳极水的增加量A应该等于Ka，阴极水的增加量C应该等于Kc。A与Ka(C与Kc)两者之间的误差不应该超过10％。若电池处于水淹状态下，即A+C<S，若A<Ka，则表明阳极出现水淹，若C<Kc，则表明阴极出现水淹。电池处于过干状态下，即A+C>S，若A>Ka，则表明阳极过干，若C>Kc，则表明阴极过干。阳极氮气浓度B应该小于常数Kn，Kn的取值范围在2％-10％。在阴阳极尾气口可以收集液态水，通过分析水中的离子含量，可以对膜电极的衰减情况做出判断。所收集水的电导率D应当低于常数Ki，Ki的取值范围在0.1-5us/cm。

在一种优选的实施方式中，氮气浓度B不超过2％-10％，电导率D不超过0.1-5us/cm。

在本具体实施方式中，通过对阴极和阳极排出水的搜集，对水中的离子浓度的检测，可以得出质子膜的衰减情况。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：包括阳极管路、阴极管路、电磁阀门、供气单元、流量传感器、温湿度传感器、氢气浓度传感器、数据采集单元和数据处理单元，所述阳极管路连接电池阳极腔室，所述阴极管路连接电池阴极腔室，所述供气单元分别与所述阳极管路的入口和所述阴极管路的入口相连接，所述阳极管路的入口、所述阳极管路的出口、所述阴极管路的入口和所述阴极管路的出口均设置有所述流量传感器和所述温湿度传感器，所述阳极管路的出口还设置有第二冷却模块、第三冷却模块和第二加热模块，所述阴极管路的出口设置第一冷却模块和第一加热模块，所述氢气浓度传感器设置在所述阳极管路的出口，所述电磁阀门分别设置在所述阳极管路和所述阴极管路的出口，所述流量传感器、所述温湿度传感器、所述氢气浓度传感器与所述数据采集单元连接，所述数据处理单元与所述数据采集单元相连接。

2.根据权利要求1所述一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：所述流量传感器包括第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第五流量传感器、第六流量传感、第七流量传感器和第八流量传感器，所述第一流量传感器设置在所述阴极管路的入口，所述第二流量传感器、所述第三流量传感器和所述第四流量传感器设置在所述阴极管路的出口，所述第五流量传感器设置在所述阳极管路的入口，所述第六流量传感器、所述第七流量传感器和所述第八流量传感器设置在所述阳极管路的出口，所述温湿度传感器包括第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温湿度传感器、第四温湿度传感器、第五温湿度传感器和第六温湿度传感器，所述第一温湿度传感器设置在所述阴极管路的入口，所述第二温湿度传感器和所述第三温湿度传感器设置在所述阴极管路的出口，所述第四温湿度传感器设置在所述阳极管路的入口，所述第五温湿度传感器和所述第六温湿度传感器设置在所述阳极管路的出口。

3.根据权利要求2所述的一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：所述供气单元包括阴极供气模块和阳极供气模块，所述阴极供气模块与所述阴极管路的入口相连接，所述阳极供气模块与所述阳极管路的入口相连接。

4.根据权利要求3所述的一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：所述阴极供气模块提供空气和水蒸气混合气体，所述阳极供气模块提供氢气和水蒸气混合气体。

5.根据权利要求4所述的一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：所述电磁阀门包括第一电磁阀门、第二电磁阀门、第三电磁阀门、第四电磁阀门、第五电磁阀门和第六电磁阀门，所述第一电磁阀门、所述第二电磁阀门、所述第三电磁阀门和所述第四电磁阀门设置在所述阴极管路的出口，所述第五电磁阀门和所述第六电磁阀门设置在所述阳极管路的出口。

6.根据权利要求5所述的一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：所述第一电磁阀门设置在所述第二温湿度传感器与所述阴极管路的出口之间，所述第二电磁阀门设置在所述第二温湿度传感器与所述第一加热模块之间，所述第三电磁阀设置在第三温湿度传感器与所述第三流量传感器之间，所述第四电磁阀设置在所述第三温湿度传感器和所述第一冷却模块之间，所述第五电磁阀设置在所述第六温湿度传感器和所述第七流量传感器之间，所述第六电磁阀设置在所述第六温湿度传感器和所述第二冷却模块之间。

7.根据权利要求6所述的一种电池的实时氮与水管理的装置，其特征在于：所述阴极管路的出口与所述第一加热模块、所述第三温湿度、所述第一冷却模块、所述第四流量传感器并联连接，所述第三流量传感器与所述第一冷却模块、所述第四流量传感器并联连接，所述第二冷却模块、第八流量传感器与所述第七流量传感器、所述第三冷却模块并联连接。

Images