CN114267854A - 一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置，属于燃料电池和电解制氢技术领域，通过电子负载向电堆施加频率为f的交流电流扰动量，实时采集电堆的交流扰动电流和响应电压，计算频率f下实时的阻抗相位角θ，进而判断电堆当前的膜含水量，再根据电堆当前的不同状态，实时更新控制气体供给和运行温度。本发明利用单频阻抗法实时测量质子交换膜电堆固定频点的交流阻抗，迅速、准确、有效地反映电堆内部运行状况，并以此调节进气量、进气湿度和电堆运行温度以实现在线闭环水管理，提高运行的可靠性和耐久性。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池和电解制氢技术领域，具体涉及一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置。
背景技术
目前，能源危机和环境污染问题日益严重，由于质子交换膜燃料电池(PEMFC)高效率、低污染、无噪音的特性，这种将氢和氧的化学能转换为电能的化学装置受到世界各国普遍重视。近二十年来，燃料电池在性能、成本和耐久性方面取得了很大的科研进展，已逐步应用于航天、船舶、汽车、备用电源等领域。
质子交换膜燃料电池是一种以氢气为燃料、氧气为氧化剂的电化学发电装置。燃料电池中唯一的反应产物水在阴极由氢气和氧气在催化剂的作用下发生化学反应生成。为保证输出性能、稳定性和使用寿命，在电堆运行过程中，质子交换膜需要保持在合适的湿度水平。质子交换膜的湿度主要受阳极侧和阴极侧入口气体湿度、堆内气体流速、电堆运行温度及电堆产水量的影响。运行管理策略不良导致的膜干和水淹现象会引起电堆性能下降，稳定性和电堆寿命急剧衰减。当质子交换膜过干时，其质子传导性降低，欧姆损耗增加，电堆输出电压性能下降。长期膜干将导致质子交换膜产生局部热点穿孔、性能退化等不可逆的损坏。当堆内湿度过高时，液态水在电堆催化层、气体扩散层以及流道内聚集，造成孔隙率减小、电极表面堵塞和反应气体传输受阻的问题，产生水淹故障。水淹故障一方面引起反应面积减少，使电堆输出性能下降，另一方面引起局部缺气，电池电压反极，对膜电极组件产生不可逆的伤害。受环境温湿度和电堆操作条件的影响，电堆非常容易发生膜干和水淹故障。当环境干燥且电堆产水量少(运行在低电流密度)时，容易发生膜干故障；当环境湿润且电堆产水量多(运行在高电流密度)，或氢循环回路的气水分离能力不够时，容易发生水淹故障。目前，行业应用仍缺乏对膜含水量的直接探测手段，只能通过外在的特性去估计其内部的含水状态，存在结果不准确或状态误判引起的进一步恶化等缺陷。
燃料电池内部复杂的物理和电化学过程使其在稳态和瞬态工况下的内部状态难以直接探测，而电堆内的水状态对燃料电池的长期稳定运行至关重要，因此需要寻找一种更便捷、可靠、精确的膜含水量辨识方法。电化学阻抗谱能全面反映与膜含水量相关的电化学反应过程以及物质传输，被学者们深入研究并应用。该方法具体为：对电极施加宽频率范围的小幅电流或电压扰动，测量其电压或电流响应，对同频扰动信号和响应信号的幅值和相位进行运算处理，获得该频率范围内的交流阻抗信息。电化学阻抗谱常用Nyquist(奈奎斯特)图(通常结合等效电路拟合模型)直观获得反映电堆内部与含水量紧密相关的欧姆传导过程、反应动力学和质量传输的信息。然而，电化学阻抗谱存在检测时间长、对实际运行干扰大、对运算控制器算力要求高等缺陷，难以在实际的系统上实施。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置，利用单频阻抗法实时测量质子交换膜电堆固定频点的交流阻抗，并以阻抗相位信息作为反馈量对电堆气体供给和电堆运行温度进行调控，进而实现质子交换膜电堆的在线闭环水管理。
本发明具体技术方案如下：
一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在质子交换膜电堆稳态运行直流电流I条件下，通过电子负载向电堆施加频率为f的交流电流扰动量I0×sin(2πft)；其中，I0为交流扰动信号幅值；
步骤2：实时采集电堆的交流扰动电流和响应电压，计算得到频率f下实时的阻抗相位角θ；
步骤3：根据实时的阻抗相位角θ判断电堆当前的膜含水量，判断基准为：
其中，Sstack为电堆当前的膜含水量状态；θmin和θmax分别为电堆正常状态下阻抗相位角的最小值和最大值；
当θmin≤θ≤θmax时，电堆当前的膜含水量状态
此时电堆为正常状态；当θ＜θmin时，Sstack＝0，此时电堆为膜干故障状态；当θ＞θmax时，Sstack＝1，此时电堆为水淹故障状态；
步骤4：根据电堆当前的不同状态，实时更新控制气体供给和运行温度，具体为：
当电堆当前为正常状态时，保持电堆的气体供给和运行温度为当前直流电流I条件下的标准值，即进气量为Q*，进气湿度为RH*，电堆运行温度为T*；
当电堆当前为膜干故障状态时，控制电堆的进气量为Qmin，进气湿度为RHmax，电堆运行温度为Tmin；
当电堆当前为水淹故障状态时，控制电堆的进气量为Qmax，进气湿度为RHmin，电堆运行温度为Tmax；
其中，Q*为电堆推荐运行的典型进气流量，Qmax和Qmin分别为电堆运行允许的最大和最小进气流量；RH*为电堆推荐运行的典型进气湿度，RHmax和RHmin分别为电堆运行允许的最大和最小进气湿度；T*为电堆推荐运行的典型电堆温度，Tmax和Tmin分别为电堆长时运行允许的最大和最小电堆温度；Q*、Qmax、Qmin、RH*、RHmax、RHmin、T*、Tmax和Tmin的参数由电堆的技术手册给出。
进一步地，步骤1中频率f的取值范围为10～100Hz。
进一步地，步骤2中阻抗相位角θ的具体计算过程如下：将实时采集的电堆的交流扰动电流和响应电压进行傅立叶变换，分别得到对应的频率f分量的初始相位
和
则阻抗相位角
进一步地，步骤3中θmin的获取方法为：在电堆的进气量为Qmax，进气湿度为RHmin，电堆运行温度为Tmax的情况下，当电堆的响应电压首次下降为气体供给标准值条件下响应电压的95％以下时，电堆为膜干故障状态，此时频率f下的阻抗相位角为θmin。
进一步地，步骤3中θmax的获取方法为：在电堆的进气量为Qmin，进气湿度为RHmax，电堆运行温度为Tmin的情况下，当电堆运行至响应电压下降为施加该进气条件的起始时刻电压的的95％时，电堆为水淹故障状态，此时频率f下的阻抗相位角为θmax。
本发明还提出了一种基于上述质子交换膜电堆的闭环水管理方法的装置，其特征在于，包括质子交换膜电堆、气体供给模块、热管理模块、电子负载模块、参数测量模块和控制输出模块；其中，气体供给模块与质子交换膜电堆的进气口连接，热管理模块与质子交换膜电堆的冷却液进出口连接，电子负载模块与质子交换膜电堆的功率输出端连接，参数测量模块的信号输入端分别与气体供给模块、热管理模块和质子交换膜电堆连接，信号输出端与控制输出模块的信号输入端连接，控制输出模块的信号输出端分别与气体供给模块、热管理模块和电子负载模块连接；
所述电子负载模块在控制输出模块发送的扰动电流控制信号下，产生频率为f的交流电流扰动量I0×sin(2πft)，施加至稳态运行直流电流I条件下的质子交换膜电堆；
所述气体供给模块为质子交换膜电堆提供气体，检测进气量和进气湿度，并在控制输出模块发送的气体供给控制信号下动态调节对应的进气量和进气湿度；
所述热管理模块检测质子交换膜电堆内的冷却液温度，并在控制输出模块发送的电堆运行温度控制信号下动态调节冷却液温度；
所述参数测量模块实时采集质子交换膜电堆的电流和电压，气体供给模块的进气量和进气湿度，及热管理模块的冷却液温度；
所述控制输出模块基于参数测量模块采集的数据，计算频率f下质子交换膜电堆实时的阻抗相位角θ，并判断质子交换膜电堆当前的膜含水量，实时更新控制气体供给控制信号和电堆运行温度控制信号。
进一步地，所述气体供给模块包括分别与氢气管路、氧化剂管路对应的电磁阀、流量计、加湿比例阀和加湿部件。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法及装置，在质子交换膜电堆反应过程中由于膜含水量的变化导致质子交换膜电堆性能衰减之前，通过检测质子交换膜电堆单频点的阻抗相位角，迅速、准确、有效地反映质子交换膜电堆内部运行状况，并以此调节进气量、进气湿度和电堆运行温度以实现在线闭环水管理，提高运行的可靠性和耐久性。
附图说明
图1为本发明实施例1采用的质子交换膜电堆的结构示意图；
图2为本发明实施例1提出的质子交换膜电堆的闭环水管理装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1提出的质子交换膜电堆的闭环水管理装置的电信号回路结构图；
图4为本发明实施例1提出的质子交换膜电堆的闭环水管理装置的流体供应回路结构图；
图5为本发明实施例1中质子交换膜电堆在膜干故障状态、正常状态、水淹故障状态时的阻抗相频图；
图6为本发明实施例1提出的质子交换膜电堆的闭环水管理方法的流程图；
附图标记如下：
1、氢气进口；2、氢气出口；3、氧化剂进口；4、氧化剂出口；5、冷却液进口；6、冷却液出口；7、单节质子交换膜电池；8、阳极绝缘板；9、阴极绝缘板；10、阳极集流板；11、阴极集流板；12、阳极端板；13、阴极端板；14、电磁阀；15、流量计；16、加湿比例阀；17、加湿部件；18、热管理部件；19、质子交换膜电堆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提出了一种质子交换膜电堆的闭环水管理装置，结构如图2所示，包括质子交换膜电堆、气体供给模块、热管理模块、电子负载模块、参数测量模块和控制输出模块。
所述质子交换膜电堆的结构如图1所示，质子交换膜电堆包括氢气进口1、氢气出口2、氧化剂进口3、氧化剂出口4、冷却液进口5、冷却液出口6、多个单节质子交换膜电池7、阳极绝缘板8、阴极绝缘板9、阳极集流板10、阴极集流板11、阳极端板12和阴极端板13；所有单节质子交换膜电池共用一套气体进出口及冷却液进出口，质子交换膜电堆的输出电流从质子交换膜电堆两端的单片引出通过阳极集流板10和阴极集流板11连接至电子负载模块。
所述电子负载模块的正负极与质子交换膜电堆的功率输出正负极(阳极集流板10和阴极集流板11)连接，在控制输出模块发送的扰动电流控制信号下，产生频率为f的交流电流扰动量I0×sin(2πft)，施加至稳态运行直流电流I条件下的质子交换膜电堆；其中，频率f的获取方法如下：
人为操作使质子交换膜电堆分别工作在膜干故障状态、水淹故障状态和正常状态下，各状态的条件为：
通过运行不同工作状态下的质子交换膜电堆，测试其电流和电压，得到对应的阻抗相频曲线，如图5所示，从中优选出质子交换膜电堆在三种工作状态中区分度最好的频率为相角检测点的频率f。一般推荐的频段范围为22～45Hz，本实施例选用频率f为44Hz。
所述气体供给模块为质子交换膜电堆提供气体，检测进气量和进气湿度，并在控制输出模块发送的气体供给控制信号(包括进气量控制信号和进气湿度控制信号)下动态调节对应的进气量和进气湿度。如图4所示，气体供给模块包括分别与氢气管路、氧化剂管路对应的电磁阀14、流量计15、加湿比例阀16和加湿部件17，加湿部件17与质子交换膜电堆的进气口(氢气进口1和氧化剂进口3)连接；其中，电磁阀14控制进气气体的通断，流量计15可以根据气体供给控制信号动态调节对应的进气量；加湿比例阀16根据气体供给控制信号动态调节对应进气气体的加湿比例；加湿部件17负责对经过的气体进行加湿。
所述热管理模块与质子交换膜电堆的冷却液进出口连接，检测质子交换膜电堆内的冷却液温度，并在控制输出模块发送的电堆运行温度控制信号下动态调节冷却液温度。如图4所示，热管理模块包括热管理部件，根据电堆运行温度控制信号动态调控质子交换膜电堆的运行温度。
所述参数测量模块的信号输入端分别与气体供给模块、热管理模块和质子交换膜电堆连接，信号输出端与控制输出模块的信号输入端连接，实时采集质子交换膜电堆的电流和电压，气体供给模块的进气量和进气湿度，及热管理模块的冷却液温度。
所述控制输出模块的信号输出端分别与气体供给模块、热管理模块和电子负载模块连接，基于参数测量模块采集的数据，计算频率f下质子交换膜电堆实时的阻抗相位角θ，具体计算过程为：将实时采集的电堆的交流扰动电流和响应电压进行傅立叶变换，分别得到交流扰动电流的频率f分量的初始相位
和响应电压的频率f分量的初始相位
则阻抗相位角
然后根据实时的阻抗相位角θ判断质子交换膜电堆当前的膜含水量，判断基准为：
其中，Sstack为质子交换膜电堆当前的膜含水量状态；θmin和θmax分别为质子交换膜电堆正常状态下阻抗相位角的最小值28.8°和最大值34.3°；
当θmin≤θ≤θmax时，质子交换膜电堆当前的膜含水量状态
此时质子交换膜电堆为正常状态；当θ＜θmin时，Sstack＝0，此时质子交换膜电堆为膜干故障状态；当θ＞θmax时，Sstack＝1，此时质子交换膜电堆为水淹故障状态；
再根据质子交换膜电堆当前的不同状态，实时更新气体供给控制信号和电堆运行温度控制信号，以控制质子交换膜电堆的气体供给和运行温度，具体为：
当质子交换膜电堆当前为正常状态时，保持质子交换膜电堆的气体供给和运行温度为当前直流电流I条件下的标准值，即进气量为Q*，进气湿度为RH*，电堆运行温度为T*；
当质子交换膜电堆当前为膜干故障状态时，控制质子交换膜电堆的进气量为Qmin，进气湿度为RHmax，电堆运行温度为Tmin；
当质子交换膜电堆当前为水淹故障状态时，控制质子交换膜电堆的进气量为Qmax，进气湿度为RHmin，电堆运行温度为Tmax；
其中，Q*为质子交换膜电堆推荐运行的典型进气流量，Qmax和Qmin分别为质子交换膜电堆运行允许的最大和最小进气流量；RH*为质子交换膜电堆推荐运行的典型进气湿度，RHmax和RHmin分别为质子交换膜电堆运行允许的最大和最小进气湿度；T*为质子交换膜电堆推荐运行的典型电堆温度，Tmax和Tmin分别为质子交换膜电堆长时运行允许的最大和最小电堆温度；Q*、Qmax、Qmin、RH*、RHmax、RHmin、T*、Tmax和Tmin的参数由质子交换膜电堆的技术手册给出。
本实施例提出的质子交换膜电堆的闭环水管理装置的电信号回路结构图如图3所示，更清晰的表明装置中各电信号的走向。
本实施例还提出了基于上述质子交换膜电堆的闭环水管理装置的方法，流程如图6所示，包括以下步骤：
步骤1：在质子交换膜电堆稳态运行直流电流I条件下，控制输出模块通过电子负载模块向质子交换膜电堆施加频率为f的交流电流扰动量I0×sin(2πft)；其中，I0为交流扰动信号幅值，f为44Hz；
步骤2：参数测量模块实时采集质子交换膜电堆的电流和电压，控制输出模块根据电流和电压，计算得到频率f下质子交换膜电堆实时的阻抗相位角θ；
步骤3：控制输出模块根据实时的阻抗相位角θ判断质子交换膜电堆当前的膜含水量，判断基准为：
其中，Sstack为质子交换膜电堆当前的膜含水量状态；θmin和θmax分别为质子交换膜电堆正常状态下阻抗相位角的最小值28.8°和最大值34.3°；
当θmin≤θ≤θmax时，质子交换膜电堆当前的膜含水量状态
此时质子交换膜电堆为正常状态；当θ＜θmin时，Sstack＝0，此时质子交换膜电堆为膜干故障状态；当θ＜θmax时，Sstack＝1，此时质子交换膜电堆为水淹故障状态；
步骤4：控制输出模块根据质子交换膜电堆当前的不同状态，实时更新气体供给控制信号和电堆运行温度控制信号，以控制质子交换膜电堆的气体供给和运行温度，具体为：
当质子交换膜电堆当前为正常状态时，保持质子交换膜电堆的气体供给和运行温度为当前直流电流I条件下的标准值，即进气量为Q*，进气湿度为RH*，电堆运行温度为T*；
当质子交换膜电堆当前为膜干故障状态时，控制质子交换膜电堆的进气量为Qmin，进气湿度为RHmax，电堆运行温度为Tmin；
当质子交换膜电堆当前为水淹故障状态时，控制质子交换膜电堆的进气量为Qmax，进气湿度为RHmin，电堆运行温度为Tmax。
本发明通过质子交换膜电堆固定频点交流阻抗相位角的检测，实时辨识质子交换膜的含水状态，进而调控质子交换膜电堆的气体供给模块及热管理模块，使质子交换膜电堆的含水量恢复到正常的状态，从而实现质子交换膜电堆膜含水量的闭环控制，以解决现有装置难以实现质子交换膜电堆膜含水量在线控制的难题，为质子交换膜电堆的安全稳定运行提供保障，提高质子交换膜电堆的运行效率和性能。
本发明具有以下特点：
(1)采用能够反映质子交换膜电堆内部真实状态的定频点阻抗相位角θ的信息作为反馈控制机制，实现质子交换膜电堆膜含水量在线闭环调节，简单且有效。
(2)本发明运用单频点交流阻抗的相位角检测，与传统的电化学阻抗谱法相比，大大缩短了测量时间，并可以实现在线的闭环水管理，提高了检测效率，具有很高的检测精度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在质子交换膜电堆稳态运行直流电流I条件下，通过电子负载向质子交换膜电堆施加频率为f的交流电流扰动量I0×sin(2πft)；其中，I0为交流扰动信号幅值；
步骤2：实时采集质子交换膜电堆的交流扰动电流和响应电压，计算频率f下实时的阻抗相位角θ；
步骤3：根据实时的阻抗相位角θ判断质子交换膜电堆当前的膜含水量状态Sstack，判断基准为：
其中，θmin和θmax分别为质子交换膜电堆正常状态下阻抗相位角的最小值和最大值；
当θmin≤θ≤θmax时，质子交换膜电堆当前为正常状态；当θ＜θmin时，质子交换膜电堆当前为膜干故障状态；当θ＞θmax时，质子交换膜电堆当前为水淹故障状态；
步骤4：根据质子交换膜电堆当前的不同状态，实时更新控制气体供给和运行温度，具体为：
当质子交换膜电堆当前为正常状态时，保持进气量为Q*，进气湿度为RH*，电堆运行温度为T*；
当质子交换膜电堆当前为膜干故障状态时，控制进气量为Qmin，进气湿度为RHmax，电堆运行温度为Tmin；
当质子交换膜电堆当前为水淹故障状态时，控制进气量为Qmax，进气湿度为RHmin，电堆运行温度为Tmax；
其中，Q*为质子交换膜电堆推荐运行的典型进气流量，Qmax和Qmin分别为质子交换膜电堆运行允许的最大和最小进气流量；RH*为质子交换膜电堆推荐运行的典型进气湿度，RHmax和RHmin分别为质子交换膜电堆运行允许的最大和最小进气湿度；T*为质子交换膜电堆推荐运行的典型电堆温度，Tmax和Tmin分别为质子交换膜电堆长时运行允许的最大和最小电堆温度。
2.根据权利要求1所述质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，步骤1中频率f的取值范围为10～100Hz。
3.根据权利要求1所述质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，步骤2中阻抗相位角θ的具体计算过程如下：将实时采集的质子交换膜电堆的交流扰动电流和响应电压进行傅立叶变换，分别得到对应的频率f分量的初始相位
和
则阻抗相位角
4.根据权利要求1所述质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，步骤3中θmin的获取方法为：在质子交换膜电堆的进气量为Qmax，进气湿度为RHmin，电堆运行温度为Tmax的情况下，当质子交换膜电堆的响应电压首次下降为气体供给标准值条件下响应电压的95％以下时，质子交换膜电堆为膜干故障状态，此时频率f下的阻抗相位角为θmin。
5.根据权利要求1所述质子交换膜电堆的闭环水管理方法，其特征在于，步骤3中θmax的获取方法为：在质子交换膜电堆的进气量为Qmin，进气湿度为RHmax，电堆运行温度为Tmin的情况下，当质子交换膜电堆运行至响应电压下降为施加该进气条件的起始时刻电压的的95％时，质子交换膜电堆为水淹故障状态，此时频率f下的阻抗相位角为θmax。
6.一种基于权利要求1～5任一所述质子交换膜电堆的闭环水管理方法的装置，其特征在于，包括质子交换膜电堆、气体供给模块、热管理模块、电子负载模块、参数测量模块和控制输出模块；其中，气体供给模块、热管理模块和电子负载模块分别与质子交换膜电堆对应的进气口、冷却液进出口和功率输出端连接，参数测量模块的信号输入端分别与气体供给模块、热管理模块和质子交换膜电堆连接，信号输出端与控制输出模块的信号输入端连接，控制输出模块的信号输出端分别与气体供给模块、热管理模块和电子负载模块连接；
所述电子负载模块在控制输出模块发送的扰动电流控制信号下，产生频率为f的交流电流扰动量I0×sin(2πft)，施加至稳态运行直流电流I条件下的质子交换膜电堆；
所述气体供给模块为质子交换膜电堆提供气体，检测进气量和进气湿度，并在控制输出模块发送的气体供给控制信号下动态调节对应的进气量和进气湿度；
所述热管理模块检测质子交换膜电堆内的冷却液温度，并在控制输出模块发送的电堆运行温度控制信号下动态调节冷却液温度；
所述参数测量模块实时采集质子交换膜电堆的电流和电压，气体供给模块的进气量和进气湿度，及热管理模块的冷却液温度；
所述控制输出模块基于参数测量模块采集的数据，计算频率f下质子交换膜电堆实时的阻抗相位角θ，并判断质子交换膜电堆当前的膜含水量，实时更新控制气体供给控制信号和电堆运行温度控制信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述气体供给模块包括分别与氢气管路、氧化剂管路对应的电磁阀、流量计、加湿比例阀和加湿部件。
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